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DESARROLLO DE UNA GUÍA METODOLÓGICA PARA LA ENSEÑANZA DEL
SOFTWARE STANFORD ENGINE SIMULATION PROGRAM (ESP)
DAVID FERNANDO TREJOS AGUIRRE
JAIME ALBERTO MORENO AGUDELO
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
2007
DESARROLLO DE UNA GUÍA METODOLÓGICA PARA LA ENSEÑANZA DEL
SOFTWARE STANFORD ENGINE SIMULATION PROGRAM (ESP)
DAVID FERNANDO TREJOS AGUIRRE
JAIME ALBERTO MORENO AGUDELO
Trabajo de grado para optar
al título de Ingeniero Mecánico
Director
YAMID ALBERTO CARRANZA SÁNCHEZ
Ingeniero Mecánico M.Sc.
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
2007
Nota de aceptación:
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Firma del presidente del jurado
_____________________________
Firma del jurado
Pereira, Marzo 07 de 2007
CONTENIDO
pág.
INTRODUCCIÓN 0
1. GENERALIDADES DEL MOTOR 2
1.1 MOTOR DE CUATRO TIEMPOS ENCENDIDO POR CHISPA 2
1.2 PARTES Y DETALLES DEL MOTOR 4
1.2.1 Sistema de encendido 5
1.2.2 Sistema mecánico 6
1.2.2.1 Cinemática del mecanismo biela-manivela 10
1.2.3 Sistema de admisión 12
1.2.4 Sistema de escape 14
1.2.5 Sistema de lubricación 18
1.2.6 Sistema de refrigeración 20
1.2.7 Sistema de distribución 23
1.2.7.1 Tiempo de válvulas 24
2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS UTILIZADOS POR EL ESP
PARA EL ANÁLISIS DE LOS SISTEMAS QUE
COMPONEN EL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA 27
2.1 ANÁLISIS DEL PROCESO DE COMPRESIÓN 30
2.2 ANÁLISIS DE LA ETAPA DE IGNICIÓN 37
2.3 ANÁLISIS DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN 43
2.4 PROCESO DE EXPANSIÓN 50
2.5 ANÁLISIS DEL PROCESO DE INTERCAMBIO DE GASES 52
2.5.1 Análisis de contraflujo 55
2.6 MODELO DE TURBULENCIA 59
2.6.1 Espectro de energía (e) 62
2.6.2 Escalas 64
2.6.3 Energía cinética turbulenta (TKE) 64
3. INTRODUCCIÓN AL ENGINE SIMULATION PROGRAM (ESP) 70
3.1 DESCRIPCIÓN GRÁFICA DEL PROGRAMA 70
3.1.1 Barra de herramientas 71
3.1.2 Barra de estado 72
3.1.3 Área de mensajes y gráficos 73
3.1.4 Área de entrada de datos o de selección de acciones 74
3.1.5 Botón de confirmación 75
3.2. INSERCIÓN DE DATOS (MENÚ RUN SETUP) 75
3.2.1 Despliegue gráfico del menú de acciones (Run Setup) 79
3.2.1.1 Parámetros de operación (Operating Parameters) 79
3.2.1.2 Geometría del motor (Engine Geometry) 81
3.2.1.3. Parámetros del modelo (Model Parameters) 82
3.2.1.4 Guardar la configuración (Setup File Save Option) 83
3.3 EJECUCIÓN DE ACCIONES 84
4. APLICACIONES DISEÑADAS PARA
RESOLVER A TRAVÉS DEL ESP 90
4.1 FORMULACIÓN Y METODOLOGÍA DE
LOS MÓDULOS DE SIMULACIÓN 90
4.2 ESTRUCTURA Y LISTADO DE MÓDULOS 92
4.3 DESARROLLO DE MÓDULOS 94
4.3.1 MÓDULO 1: Introducción al ESP. Aspectos de
Operación Básicos del Programa, Simulación a Distintas
RPM y Creación de Gráficas 94
4.3.1.1 Introducción 94
4.3.1.2 Objetivos 95
4.3.1.3 Aspectos Teóricos 95
4.3.1.4 Procedimiento 98
4.3.1.5 Análisis de resultados 103
4.3.2 MÓDULO 2: Combustibles y sus Reacciones
Químicas. Comparación entre Gas Natural Vehicular y Gasolina 103
4.3.2.1 Introducción 103
4.3.2.2 Objetivos 103
4.3.2.3 Aspectos Teóricos 104
4.3.2.4 Procedimiento 107
4.3.2.5 Análisis de resultados 112
4.3.3 MÓDULO 3: Proceso de Llenado. Aspiración Natural,
Variación de la presión Atmosférica y Sobrealimentación 113
4.3.3.1 Introducción 113
4.3.3.2 Objetivo 113
4.3.3.3 Aspectos Teóricos 113
4.3.3.4 Procedimiento 118
4.3.3.5 Análisis de resultados 120
4.3.4 MÓDULO 4: Proceso de Compresión. Relación
de Compresión y Variables Geométricas de un Motor a Gasolina 121
4.3.4.1 Introducción 121
4.3.4.2 Objetivos 122
4.3.4.3 Aspectos Teóricos 122
4.3.4.4 Procedimiento 124
4.3.4.5 Análisis de resultados. 126
4.3.5 MÓDULO 5. Proceso de Combustión.
Factores que Afectan el Proceso de Combustión
en los Motores a Gasolina 128
4.3.5.1 Introducción 128
4.3.5.2 Objetivos 128
4.3.5.3 Aspectos Teóricos 129
4.3.5.4 Procedimiento 132
4.3.5.5 Análisis de resultados. Primera Parte 134
4.3.5.6 Análisis de resultados. Segunda Parte 137
4.3.6 MÓDULO 6: Proceso de Expansión y Reducción
de Emisiones. Recirculación de Gases de Escape (EGR) 138
4.3.6.1 Introducción 138
4.3.6.2 Objetivos 138
4.3.6.3 Aspectos Teóricos 138
4.3.6.4 Procedimiento 140
4.3.6.5 Análisis de resultados 141
5. CONCLUSIONES 143
6 .RECOMENDACIONES 146
BIBLIOGRAFÍA 147
ANEXO 1 (MICROCURRICULUM MÁQUINAS DE COMBUSTIÓN INTERNA) 149
ANEXO 2 SOLUCIÓN MODULO 2 - COMBUSTIBLES Y SUS
REACCIONES QUÍMICAS. COMPARACIÓN ENTRE
GAS NATURAL VEHICULAR Y GASOLINA 154
RESUMEN
Una guía metodológica para la enseñanza del software Engine Simulation
Program ha sido desarrollada. Para lo anterior, se ha llevado a cabo una
exploración previa del programa y con base en ello, se realizó una recopilación de
la teoría necesaria para el estudio de los modelos fundamentales del simulador,
comenzando con las generalidades del motor a fin de situar al lector en un
contexto básico, para luego ahondar en los aspectos teóricos más detallados de
su funcionamiento. Seguidamente, se presenta una introducción al ambiente
gráfico del ESP, mostrando los alcances y limitantes de manejo que consoliden
una base que prepare al lector para su interacción con el programa.
El desarrollo de la guía se basa en un enfoque algorítmico-heurístico el cual tiende
a que el sujeto que realiza los módulos relacione la teoría y la práctica a través de
la herramienta computacional, comenzando con prácticas sencillas siguiendo unos
parámetros establecidos en el diseño sin cerrar la posibilidad que el lector sea
quien se convierta en generador de iniciativas propias de acceder al conocimiento.
La implementación de éste trabajo (ESP) en el curso de Máquinas de Combustión
Interna fortalece el proceso de enseñanza y eleva el nivel de conocimiento sobre
el comportamiento y desempeño del motor bajo diferentes configuraciones y/o
parámetros de operación. Igualmente se consolida la sinergia de áreas del
conocimiento tales como la termodinámica, la transferencia de calor y la mecánica
de fluídos, siendo la integración teoría-práctica útil en el campo de los motores y
como refuerzo en estas otras materias.
INTRODUCCIÓN
El desarrollo tecnológico y la evolución de los sistemas que componen un motor de
combustión interna están íntimamente ligados a los avances en el diseño. La
comprensión de los adelantos tecnológicos será más fácilmente realizable si se estudian
las consideraciones técnicas implicadas en el proceso de diseño. La actual tendencia en
el diseño de motores de combustión interna está dirigida hacia la simulación basada en
software interactivo, lo cual permite al usuario hacer cambios tanto en los parámetros
geométricos, de operación, de modelado y de los sistemas que acompañan el motor,
obteniendo datos en tiempo real, diagnósticos y evaluaciones precisas que traen consigo
ahorro en tiempo y dinero.
El uso de este tipo de herramientas se hace cada vez mayor. Para estudiantes de
tecnología e ingeniería se ha convertido en una pieza fundamental de aprendizaje, como
forma de modelar, simplificar y resolver problemas de forma rápida y confiable. Por eso
se ha hecho necesaria la formación integral de los futuros tecnólogos e ingenieros tanto
en la parte académica como práctica, integrando estas dos mediante prácticas técnicas o
con software especializado para simular fenómenos y procesos, tales como el ESP, el
cual simula el desempeño termodinámico de motores de combustión interna.
El objetivo general de este trabajo es desarrollar una forma o metodología de integración
de los campos teórico y práctico, que permita tanto al estudiante y el profesor o tutor,
interrelacionar y visualizar los conocimientos adquiridos en el aula, con situaciones reales
simuladas, siguiendo una metodología algorítmica-heurística que favorecerá una
asimilación más adecuada de conceptos y así mismo, incentivará al estudiante a
generarse interrogantes y a buscar posibles soluciones a ellos.
Con este propósito se investigará y conceptuará sobre la influencia de las diferentes áreas
(termodinámica, transferencia de calor, mecánica de fluídos) en el desarrollo de motores
de combustión interna. También se interactuará con el Engine Simulation Program ESP
para desarrollar una batería de aplicaciones y una guía metodológica que permitan al
estudiante integrar los fundamentos de manejo y aplicaciones.
El aprendizaje de este programa fortalecerá esta integración teoría-práctica (al igual que
con materias como transferencia de calor y mecánica de fluidos) a través de la
metodología desarrollada, permitiendo que los estudiantes del curso de máquinas de
combustión interna, puedan analizar el funcionamiento de distintos motores, logrando
modelar diferentes situaciones de funcionamiento y geometría en un entorno virtual.
Además, la utilización de software dentro del ciclo de enseñanza, permitirá un desarrollo
de conocimiento mayor, al abrir un recorrido por un sendero autónomo de conocimiento
delimitado por el estudiante mismo dentro de su espíritu investigativo y diseñador, que
situará la institución en un proceso de mejoramiento en la enseñanza como el de
reconocidas universidades tales como la Universidad de Stanford, desarrolladora del ESP,
el Instituto Tecnológico de Massachussets, la Universidad de Cambridge entre otras, que
ya han incursionado en el área de la simulación y han tenido con ello un gran nexo con los
sectores industriales, necesarios para el desarrollo conjunto de la universidad y la región.
1. GENERALIDADES DEL MOTOR
En este capítulo se realiza una descripción de lo que es un motor de combustión
interna, de los sistemas básicos que lo constituyen, la forma de funcionamiento y
los principios teóricos que lo rigen, con el fin de tener un conocimiento básico de
los aspectos estructurales y funcionales del motor.
1.1 MOTOR DE CUATRO TIEMPOS ENCENDIDO POR CHISPA
Un motor de combustión interna es una máquina compuesta por mecanismos y
sistemas en la que la energía química de un combustible (sólido, previa
gasificación, gaseoso o líquido) se transforma, dentro de un volumen confinado,
en energía calórica, de forma que la expansión de los productos genera energía
mecánica.
La mayoría de motores de combustión interna, utilizan el principio del émbolo
reciprocante mostrado en la Figura 1, según el cual, un émbolo se desliza dentro
de un cilindro hacia atrás y hacia adelante y transmite potencia un eje motriz,
mediante un simple mecanismo de biela y manivela. Según Obert1 el principio o
secuencia de funcionamiento para el motor de émbolo (Pistón) reciprocante fue
propuesto en 1862 por Beau de Rochas, perfeccionado por el ingeniero alemán
Otto en 1876 aun es típico de la generalidad de los motores encendido por chispa
y comprende:
1 OBERT, EDWARD F. Motores de Combustión Interna, Análisis y Aplicaciones. México: Continental 1966.
• Admisión: este ciclo inicia en el momento que el pistón se encuentra en la
parte superior del cilindro o en el punto muerto superior (PMS) o en inglés,
Top Dead Center (TDC) y la válvula de admisión se encuentra abierta. En
este momento, el pistón empieza su carrera descendente, creando un vacío
entre la cámara de combustión que produce que el aire que se encuentra
en el medio a mayor presión pase a través del filtro, que se mezcle con el
combustible en el carburador y finalmente pase a través del múltiple y la
válvula de admisión al interior del cilindro.
Figura 1. Ciclo de cuatro tiempos encendidos por chispa.
http://www.amsoil.com/articlespr/-article_2Cycleapplications.aspx
• Compresión: una vez el pistón ha descendido al punto muerto inferior (PMI)
o en inglés al Bottom Dead Center (BDC) y ha terminado la carrera de
admisión, el árbol de levas que gira sincrónicamente con el motor, cierra la
válvula de admisión que se ha mantenido abierta y confina la mezcla aire-
combustible entre el cilindro. Al iniciar su carrera ascendente nuevamente,
el pistón reduce el volumen de la cámara y eleva la presión de la mezcla.
• Ignición: cuando el pistón alcanza nuevamente su TDC y la mezcla se
encuentra en el punto de presión más elevada, el distribuidor (que gira
sincrónico con el motor) cierra el circuito de la bujía, donde salta la chispa
eléctrica de alto voltaje e inflama la mezcla que al aumentar su temperatura,
eleva su presión, obligando a bajar el pistón, el cual transmite este esfuerzo
mediante la biela al cigüeñal, haciéndolo girar.
• Escape: luego de que el pistón ha aprovechado la energía de la combustión
y ha descendido al BDC, el árbol de levas abre la válvula de escape y el
pistón en su nueva carrera ascendente expulsa los productos de la
combustión a través de ella, de allí al colector o múltiple de escape y
después de pasar por silenciadores y catalizadores sale a la atmósfera.
Los cuatro ciclos del motor se llevan a cabo durante dos vueltas del cigüeñal y se
repiten continuamente en los cilindros que tenga el motor hasta tanto el motor sea
detenido.
1.2 PARTES Y DETALLES DEL MOTOR
El motor de combustión interna está compuesto por siete sistemas básicos los
cuáles funcionan sinérgicamente para una marcha correcta y estable. Estos
sistemas comprenden el sistema de encendido, sistema mecánico, sistema de
admisión, sistema de escape, sistema de lubricación, sistema de refrigeración y el
sistema de distribución.
1.2.1 Sistema de encendido. Este sistema consta de un acumulador o batería,
una bobina de encendido, un distribuidor con levas y platinos y una bujía para
cada cilindro (Figura 2), según Obert2 en el motor de cuatro tiempos se requieren
dos revoluciones completas del cigüeñal por cada ciclo; por esta razón deberá
haber un chispazo en cada cilindro a intervalos de 720 grados de giro del cigüeñal.
Para garantizar esta secuencia, el distribuidor se mueve mediante el árbol de
levas a la misma velocidad obteniéndose una revolución del distribuidor por cada
dos del cigüeñal. Bajo la flecha del distribuidor, se encuentra una leva con un
lóbulo por separado para cada bujía. A medida que gira el eje del distribuidor, los
platinos son separados por uno de los lóbulos de la leva siendo interrumpida la
corriente que proviene de la batería y pasa por la bobina. Debido a esta
interrupción se induce un alto voltaje en la bobina. Este potencial es enviado al
contacto central de la tapa del distribuidor y de ahí a través de los cables de alta
tensión a la bujía conveniente. Debido a los muchos lóbulos de la leva pueden
inducirse una serie de impulsos eléctricos correctamente sincronizados que son
luego dirigidos por el distribuidor hacia los diferentes cilindros.
2 Ibid., p. 2.
Figura 2. Sistema de encendido (adaptada de la fuente).
http://www.eng.warwick.ac.uk/oel/courses/Engine/ignition.jpg
1.2.2 Sistema mecánico. El sistema mecánico comprende las partes que
forman el mecanismo que transmite la potencia generada en la combustión. El
sistema mecánico esta compuesto por el conjunto de los cilindros y el conjunto de
los émbolos y las bielas, que juntos conforman un mecanismo biela-manivela
centrado (el eje del deslizador contiene el centro de rotación de la manivela).
Tomando el esquema de Obert3, el conjunto de los cilindros (ver Figuras 3 y 4), se
mantienen en posición fija mediante el bloque de cilindros g el cual en los motores
pequeños forma una sola pieza con el carter k para obtener mayor rigidez. Esta
3 Ibid., p. 2.
estructura se hace generalmente de hierro fundido. Los ductos j pueden ser
hechos mediante corazones en el bloque al fundirlo y sirven para distribuir la
lubricación a los cojinetes principales y. Para vehículos de bajo costo los cilindros
se maquinan en el bloque. Para motores de trabajo pesado se instalan forros o
camisas reemplazables; estos forros pueden ser húmedos w o secos. Los forros
secos son menos susceptibles a las fallas que los forros húmedos, los cuales
deben independizar las camisas de agua de enfriamiento v del depósito de aceite
z. Tanto para las camisas como para los cilindros el material usual es fundición
gris por su buena resistencia al desgaste al formar una capa protectora tersa y
durísima al estar bajo fricción.
El cigüeñal m es generalmente una pieza de acero forjado o de hierro fundido para
motores multicilíndricos con esfuerzos relativamente bajos. El cigüeñal se apoya
en los cojinetes principales y después de la parte concéntrica del cigüeñal sigue el
muñón l que conecta al cojinete x de la biela. Estos cojinetes se fabrican de
materiales tales como bronce, babbit, cobre plomo u otras aleaciones antifricción.
Un depósito para aceite z de acero estampado sella el conjunto del bloque y sirve
como colector de aceite o recipiente para el aceite lubricante. Una varilla
medidora s resulta útil para medir el nivel de aceite.
Figura 3. Sección de un motor 4 tiempos con válvulas en la cabeza (cabeza en I)
EDWARD F. OBERT. Motores de Combustión Interna, Análisis y Aplicaciones
En el conjunto de los émbolos y las bielas, el émbolo o pistón e se construye de
aluminio, acero fundido o hierro siendo su función principal la de transmitir a la
biela h la fuerza originada en el proceso de combustión. Al realizar ésto, las
posiciones angulares de la biela permiten que se ejerza un esfuerzo considerable
en un lado de las paredes del cilindro y este empuje es creado por el faldón del
émbolo, la parte debajo de los anillos. El pistón tiene a los menos tres anillos d.
Los superiores se llaman de compresión por que evitan el paso de los productos
de combustión del cilindro al cárter y el inferior recibe el nombre de anillo rascador
de aceite, siendo su función la de quitar el aceite sobrante de la pared del cilindro
y transferirlo a través de ranuras hasta el cárter.
Figura 4. Motor de cuatro tiempos con válvulas en el bloque (cabeza en L)
EDWARD F. OBERT. Motores de Combustión Interna, Análisis y Aplicaciones
La biela h de acero forjado, con sección en I, une al pistón y al cigüeñal. Puede
tener un conducto a lo largo para conducir aceite lubricante desde el cojinete x de
a biela hasta el perno f del pistón o puede tener un pequeño agujero para atomizar
aceite en el pasador del émbolo igualmente que el árbol del levas u y las paredes
del cilindro.
1.2.2.1 Cinemática del mecanismo biela-manivela. La determinación de la
geometría y las principales dimensiones del mecanismo biela-manivela (MBM)
permiten realizar el análisis cinemático y dinámico de gran utilidad a la hora de
estimar la vida útil de motor y hacer un análisis de las etapas de funcionamiento
de este.
Según Romero4 Los datos iniciales para el cálculo cinemático son la carrera del
pistón y el esquema constructivo elegido para el mecanismo biela-manivela
(mecanismo biela-manivela centrado o descentrado). Para el MBM más difundido,
el central (Figura 5), el principal parámetro cinemático, el radio de la manivela se
determina como la mitad de la carrera completa del pistón (R=S/2) el valor de otro
parámetro geométrico, adimensional, λ, el cual representa la relación del radio de
la manivela R sobre la longitud de la biela L, generalmente se toma del rango
0,24...0,31.
El cálculo cinemático se efectúa con las siguientes fórmulas:
• La velocidad angular de rotación de la manivela (Rad./s)
ω=dϕ/dt=πn/30
4 ROMERO PIEDRAHITA, CARLOS A. Motores de combustión interna: Fundamentos de construcción y cálculo. Pereira, Colombia: Universidad Tecnológica de Pereira.
Donde ϕ es el ángulo de giro de la manivela, tomado en cuenta a partir de
la posición para la cual el pistón se encuentra en el P.M.S y n es la
frecuencia de rotación del árbol cigüeñal, min-1.
• La velocidad tangencial del extremo de la manivela (m/s)
um=Rω
• La aceleración centrípeta del extremo de la manivela (m/s)
εm=Rω2
Figura 5. Esquema constructivo del MBM centrado
CARLOS A. ROMERO. Motores de Combustión. Fundamentos de Construcción y Cálculo
• El desplazamiento Sp, la velocidad vp y la aceleración jp del pistón en el
MBM centrado son:
( )
[ ] [ ];2coscos2coscos30
;2sin2
sin2sin2
sin30
,)2cos1(4
cos12cos4
cos4
1
22
ϕλϕωϕλϕπ
ϕλϕωϕλϕπ
ϕλϕϕλϕλ
+=+
=
+⋅=
+
=
−+−=
+−
+=
Rn
Rj
Rn
R
RRS
p
p
p
v
• La velocidad media del pistón (m/s)
ωπR
nSm
2
30=⋅=v
• La velocidad máxima del pistón (m/s)
2max 1 λω += Rv
1.2.3 Sistema de admisión. Este sistema está conformado por un filtro de aire,
que puede ser de varios tipos (filtro de papel, tipo ciclón, etc.), un conducto que
lleva el aire hasta el múltiple de admisión, que divide el flujo a los respectivos
cilindros (Figura 6).
Figura 6. Sistemas de admisión y escape
http://www.transporte.cu/ignicion/cd2002/motor_co/adm_esca.htm
Para algunos motores, dentro del sistema de admisión se encuentra incluido el
control de velocidad y carga, función hecha por el carburador. Este se encuentra
situado después del ducto que viene del filtro y antes del múltiple de admisión. Su
principal función es la de dosificar el combustible para obtener una proporción
aire-combustible razonablemente definida y homogénea en toda la cámara. En la
Figura 7 se muestran sus principales partes: un venturi una tobera para
combustible con orificio medidor, un recipiente para combustible en la cámara de
flotador, un acelerador y un ahogador. Durante el tiempo de admisión, el vacío
producido por el pistón, induce el aire atmosférico hacia el interior del cilindro.
Este flujo de aire al pasar por el venturi, aumenta su velocidad y disminuye su
presión en la sección más estrecha la cual esta comunicada con el extremo de la
tobera. Como la cámara de flotador se encuentra a presión atmosférica, la
diferencia de presión entre su interior y su salida, que es la tobera, pulveriza el
combustible en la corriente de aire en una cantidad tal que es determinada por el
tamaño del orificio medidor.
Figura 7. Carburador simple.
EDWARD F. OBERT. Motores de Combustión Interna, Análisis y Aplicaciones
La carga obtenida en el cigüeñal depende de la masa de mezcla quemada en
cada cilindro por ciclo y se controla restringiendo la cantidad de mezcla que entra
al cilindro empleando una válvula estranguladora o aceleradora que se ubica en la
entrada del carburador. Si se cierra o se abre el acelerador la cantidad de aire que
pasa por el venturi será menor o mayor determinando la cantidad de mezcla que
entra al cilindro. Por lo tanto la velocidad del motor se controla por las posiciones
del acelerador y también por la magnitud de la carga; o puede mantenerse la
misma posición del acelerador y graduar la velocidad variando la carga.
1.2.4 Sistema de escape. El sistema de escape tiene la función básica de
evacuar los productos de la combustión de los cilindros a la atmósfera, con las
tareas adicionales de mantener las emisiones tóxicas dentro de los estándares y
suprimir el ruido generado por el motor. En este sistema siempre se busca
maximizar el flujo del gas quemado, con el fin de evitar un contraflujo excesivo
hacia el cilindro o la sobrepresión a la salida de la válvula de escape, que
restringen el llenado del cilindro con mezcla fresca, disminuyendo su eficiencia.
Este sistema, como se ve en el esquema de la Figura 8, esta compuesto por un
múltiple de escape, un convertidor catalítico, una o más cajas de humo o
silenciadores y secciones de tubería como unión entre los elementos, las cuales
pueden ser bridadas o soldadas.
Múltiple de escape : es un elemento compuesto por varios ramales, por lo general
unidos mediante brida y tornillos a la culata coincidiendo con sus conductos de
escape. Al abrirse la válvula de escape, los gases quemados pasan por la culata
y de allí al múltiple que es el primer elemento del sistema.
Figura 8. Esquema de Sistema de Escape
Convertidor catalítico : este componente tiene la función de reducir las emisiones
nocivas principalmente de monóxido de Carbono, óxidos de Nitrógeno e
hidrocarburos sin reaccionar, a través de una reacción catalítica de oxidación o
reducción con elementos especiales. El convertidor (Figura 9) está compuesto por
una carcasa metálica para protección con extremos bridados y el elemento
catalizador que es un entramado en forma hexagonal (como un panal de abejas)
que contiene el óxido cerámico que actúa como catalizador. Estas sustancias, por
lo general metales preciosos, pueden ser Platino o Rodio. La disposición del
soporte cerámico en forma de panal asegura la maximización del área de contacto
de los gases para hacer más efectiva la reacción, la cual ocurre a temperaturas
mayores a 250ºC y depende de otros factores como la riqueza o pobreza de la
mezcla.
Los convertidores se clasifican según la eliminación de los componentes dañinos
en el compartimiento en convertidores de dos vías, cuando se neutralizan dos
elementos y de tres vías cuando se neutralizan los tres elementos perjudiciales.
Figura 9. Corte de un Convertidor catalítico
http://www.oni.escuelas.edu.ar/olimpi99/autos-y-polucion/catalizador.htm
Silenciador o caja de humo : este compartimiento se encarga de eliminar el ruido
que se produce por las ondas que se generan durante la apertura y cierre de las
válvulas de escape debido a la diferencia de presión entre el gas quemado en
proceso de expansión a alta temperatura y la presión atmosférica. En un sistema
de escape el manejo de este tipo de ondas es importante ya que pueden mejorar o
restringir el flujo de gases quemados. Cuando se abre la válvula, esta diferencia
crea una onda de presión que se mueve por el sistema de escape más
rápidamente que el propio gas. Esto genera también una onda reflejada de
depresión que se mueve hacia el cilindro. Si se aprovecha la onda de depresión al
abrirse la válvula, esto favorecerá el tránsito del gas quemado y el llenado con
mezcla fresca. Caso contrario si se presenta una onda de presión al abrirse la
válvula, ejercerá una gran restricción en el momento del escape de los gases.
Los silenciadores se pueden clasificar como se ve en la Figura 10, en
silenciadores de absorción (a), cuando son recubiertos por un material aislante
tanto térmica como acústicamente; silenciadores de expansión (b), que consisten
en un ensanchamiento brusco del ducto y después de cierta longitud vuelve a su
sección original, silenciadores de resonancia lateral (c), que consiste en encerrar
el ducto principal con un tubo concéntrico, comunicados entre si a través de
perforaciones hechas al primero, y, finalmente los silenciadores de interferencia
(d), que tienen una serie de tabiques situados en el camino del gas haciendo que
las ondas pierdan energía por los choques que tienen en su recorrido.
Finalmente los distintos componentes del sistema se unen a través de ductos
metálicos, los cuales pueden ser bridados para unir con tornillos o también pueden
ser soldados.
Figura 10. Silenciadores
1.2.5 Sistema de lubricación. El sistema de lubricación de un vehículo se utiliza
para disminuir las pérdidas por fricción en las superficies de dos piezas en
contacto creando una capa de lubricante entre las dos superficies, ayuda a
prevenir el desgaste de las piezas y remueve contaminantes como partículas
metálicas y carboncillos que pudieran actuar como partículas abrasivas causando
rayones severos a las superficies. Además tiene utilidad como método de
remoción de calor de partes que no están refrigeradas por el sistema de
refrigeración.
Según Maleev5 la lubricación automotriz se ha realizado con varios métodos:
• Gravedad: consiste en surtir lubricante mediante la caída de este,
principalmente en gotas o con un chorro, mediante tanques elevados o
aceiteras manuales.
5 MALEEV, V.L. Internal-Combustion Engines: Theory and Design. Estados Unidos: MCGRAW-HILL COMPANIES INC., 1945.
• Mecánicos: donde la lubricación se hace por salpique, por baño de
lubricante o combinando el método gravitacional con el mecánico.
• Forzados a presión: este utiliza una bomba, principalmente rotativa de
desplazamiento positivo de piñones, que bombea el lubricante a presión a
través de los conductos del motor, el cual luego cae a un recipiente por
gravedad (al cárter) de donde es nuevamente succionado por la bomba
para iniciar el ciclo nuevamente.
• Combinados: este método, muy utilizado en los motores actuales, combina
el surtido a presión y el salpique.
Los motores modernos se lubrican mediante el método combinado, llevando
lubricante a presión a través de los conductos hasta los cojinetes del cigüeñal y
del árbol de levas, a los seguidores y a los balancines, a los cojinetes de biela y
algunas veces a los bulones de los pistones. Las demás piezas en contacto se
lubrican por salpique del aceite que se encuentra en el cárter, como las paredes
de los cilindros, o los cojinetes de biela, cuando no están surtidos a presión.
En el dibujo de la Figura 11, se muestra un motor con lubricación combinada por
presión y salpique. La bomba ubicada en el fondo del cárter succiona aceite a
través de un colector con malla y lo envía a presión hacia el filtro. El filtro se
fabrica por lo general con un papel filtrante acordeonado y posee además un
sistema de by-pass, que impide que cese el flujo de aceite cuando el filtro se
obstruye por completo. Después de filtrado, el aceite pasa a un conducto principal
(1) y de allí a través de unos conductos principales fluye hacia los cojinetes de
cigüeñal a través de una perforación que tiene este último que conduce el aceite
hacia las bielas, que también pueden ser perforadas y dejan pasar lubricante
hasta los cojinetes del pistón. Del conducto principal pasa hacia la parte superior
por un conducto (2) y de allí pasa al eje hueco del árbol de levas (3), donde se
distribuye por otros conductos a los seguidores y a los balancines. Después de
haber lubricado las partes superiores del motor, el aceite escurre hasta el cárter
para ser bombeado nuevamente. Igualmente se puede apreciar la lubricación por
salpique de los elementos del mecanismo de distribución y de las paredes de los
cilindros.
Figura 11. Esquema de un sistema lubricación combinado.
1
2 3
http://www.gordon-glasgow.org/Images/U20_Lubrication_System.JPG
1.2.6 Sistema de refrigeración. El sistema de refrigeración tiene como función
la de extraer el exceso de calor generado en el motor durante su trabajo.
En el campo automotriz, se utilizan dos tipos de refrigeración: refrigeración por aire
y por agua. La refrigeración por aire, empleada en motores pequeños de bajo
cilindraje, motores de aviación y en la gran mayoría de motocicletas, utiliza el aire
como fluido de transferencia de calor. En este sistema, el bloque de cilindros tiene
un conjunto de aletas las cuales maximizan el área de transferencia de calor.
Estos motores necesitan el movimiento del vehículo para producir una corriente de
aire; en el caso de que el vehículo sea conducido a baja velocidad o en
funcionamiento estacionario, se utiliza un ventilador para forzar el aire a través de
las aletas y así refrigerar el motor. La refrigeración por agua es la más utilizada en
los motores modernos y utiliza agua junto con otros aditivos como líquido de
transferencia. Como se ve en el esquema de la Figura 12, el sistema consta de
una bomba, un radiador, uno o dos ventiladores, un depósito auxiliar de
reposición, un termostato, una tapa de presión, conductos internos en el motor
(bloque, culata, tapa de válvulas, entre otros), conexiones flexibles superior e
inferior de unión del radiador con el motor y la calefacción, un termocontacto, un
sistema de refrigeración para la transmisión (utilizado en vehículos con
transmisión automática) y el fluido de trabajo que incluye agua y aditivos
anticongelantes como el etilenglicol, anticorrosivos y lubricantes.
Bomba de agua : la bomba es centrifuga, montada sobre un rodamiento lubricado
libre de mantenimiento accionada a través de una correa o en algunos casos
electrónicamente. El eje de la bomba tiene en sus extremos el acople para la
polea de accionamiento y en el otro el rotor centrífugo. La bomba tiene su
respectivo retenedor para evitar pérdidas de agua.
Radiador : el radiador es un intercambiador de calor compuesto por un serpentín,
rodeado con unas aletas de aluminio. En la entrada y la salida del radiador hay
unos tanques, por lo general plásticos que reciben el agua caliente del motor y
sirven de depósito de succión para la bomba. En vehículos con transmisiones
automáticas, en uno de estos tanques se introduce un tanque para refrigeración
del aceite de la transmisión.
Figura 12. Esquema de Sistema de Refrigeración (Adaptada de la fuente).
http://www.familycar.com/Classroom/CoolingSystem.htm
Ventilador : es un ventilador axial plástico accionado electrónicamente a través del
termocontacto, mediante una correa o con un sistema de zapatas centrífugas. El
ventilador tiene un protector polímero que a la par de servir como guarda, sirve
como guiador de la corriente de aire, asegurando que esta pase estrictamente a
través de las aletas del radiador.
Termostato : es una válvula térmica ubicada entre la salida de agua del motor y la
entrada del radiador. Su función es mantener el agua a una temperatura óptima
para el funcionamiento del motor. Cuando el agua se encuentra a baja
temperatura, se cierra, obligando al agua a entrar nuevamente al motor hasta
alcanzar una temperatura de diseño. Esto se hace para lograr que el motor
alcance su temperatura de trabajo rápidamente, evitando que el calor que se
produce al iniciarse la marcha se pierda por el radiador. Ya cuando el agua
alcanza la temperatura correcta de trabajo (alrededor de 95°C) el termostato se
abre y permite que el agua fluya hacia el radiador para evitar el
sobrecalentamiento.
Termocontacto : es un conector ubicado en la culata en contacto con el agua que
al calentarse por encima de lo normal, puede ser en funcionamiento estacionario o
al aumentar la carga, hace encender el ventilador.
Tapa de presión y deposito auxiliar : la tapa de presión se encuentra en la parte
superior del radiador y mantiene una presión constante en el sistema. Cuando la
presión se eleva por encima de lo normal, esta tapa abre un pequeño conducto
hacia el depósito auxiliar (a presión atmosférica), descargando agua y
manteniendo la presión constante. En caso contrario si la presión es baja, toma
agua del depósito hasta alcanzar el nivel requerido.
Recorrido. El agua se bombea desde la parte inferior del radiador por un ducto
de caucho. Ya a presión, el agua pasa a través de los conductos del bloque, la
culata y el múltiple de admisión, extrayendo calor y subiendo su temperatura. Al
salir del motor a través del termostato, recircula por el motor entra a la parte
superior del radiador por otro tubo de caucho, recorre el radiador intercambiando
calor con la corriente de aire, cae a la parte inferior y es bombeado nuevamente.
1.2.7 Sistema de distribución. El sistema de distribución es el encargado de
controlar los flujos a los cilindros, tanto de admisión y de escape, en forma
sincronizada. El control de flujo se hace mediante un sistema de válvulas, que
abren y cierran los conductos de la culata. En los mecanismos de válvulas
mostrados en las Figuras 3 y 4, son válvulas de vástago, pero algunos motores
tienen válvulas deslizantes o rotatorias. En el esquema de Obert6 el mecanismo
completo consta de un árbol de levas u que es movido mediante el cigüeñal por 6 OBERT, Op. cit., p. 2.
engranajes o por una cadena de tiempo. Cada válvula es accionada por una leva t
que levanta a la puntera r (que es un absorbedor de empuje de la leva) y en los
motores con cabeza en l la puntera toca directamente con la válvula.
1.2.7.1 Tiempo de válvulas. Los gases que fluyen hacia y fuera del motor
tienen una inercia; una vez que se mueven, se mantendrán así. El tiempo
asignado a las válvulas controla estos movimientos y de igual forma el correcto
desempeño del motor, manteniendo o permitiendo el movimiento del fluido en
cada fase del ciclo. Un diagrama de válvulas típico de un automóvil de pasajeros
se muestra en la Figura 137.
Figura 13. Tiempo de válvulas para un Jaguar de 3.4L o 3.8L.
JOHN L. LUMLEY. Engines: An Introduction
7 LUMLEY, John L. The Stanford ESP. Engine: An Introduction. First edition, Cambridge University Press.
En este diagrama la válvula de escape se abre 57 grados de giro del cigüeñal
antes del punto muerto inferior (CAD BBC que significa Crack Angle Degrees
Befote Bottom Center). Esto se hace para que la presión entre el cilindro mueva
hacia fuera los gases de escape. La válvula de escape no se cierra hasta pasar el
TC, y la válvula de admisión se abre antes del TC. Durante 30 grados de giro del
cigüeñal, las válvulas permanecen abiertas al tiempo, por lo menos a apertura
media, esto se llama traslape.
A apertura máxima de la mariposa, los gases de escape que salen por la válvula
crean un vacío que incrementa la entrada de carga fresca a los cilindros, inclusive
antes de que el pistón comience su carrera de admisión. A cargas parciales, la
situación se complica porque al ser la presión del múltiple de escape mayor que
en el múltiple de admisión, se presenta contraflujo hacia la admisión.
La válvula de admisión se mantiene abierta 57 grados de giro del cigüeñal
después del punto muerto inferior (CAD ABC que significa Crack Angle Degrees
After Bottom Center), aunque sólo abierta aproximadamente un 60% en el BC,
porque la carga fresca alcanzando los cilindros conserva su inercia y continua su
camino a pesar de que el cilindro haya comenzado a subir. La válvula de
admisión no se cierra hasta que los gases no son presionados a salir por el
aumento de presión en el cilindro, lo que maximiza la masa confinada en el
cilindro.
Este efecto será diferente dependiendo de la longitud y configuración de los
múltiples, ya que éstas son las columnas de aire que se aceleran y desaceleran.
El efecto también cambia con la velocidad del motor. En la Tabla 1 se muestran
valores típicos de tiempos de válvulas, potencia y RPM para automóviles de
producción, automóviles deportivos y autos de la competencia de la categoría
norteamericana NASCAR8.
8 Ibid., p. 24.
Tabla 1. Desempeño de autos de producción, deportivos y de competencia
NASCAR.
Motores de Producción Deportivos NASCAR
Admisión abre antes del TC 3 20 60 Admisión cierra después del
BC 47 50 70 Escape abre antes del BC 47 60 90
Escape cierra después del TC 3 10 40 Potencia kW (HP) 179 (240) 261 (350) 447 (600)
N (rpm) 4500 5500 8500
Traducción de Engines: An Introduction
2. FUNDAMENDAMENTOS TEÓRICOS UTILIZADOS POR EL ESP PARA
EL ANÁLISIS DE LOS SISTEMAS QUE COMPONEN EL MOTOR D E
COMBUSTIÓN INTERNA
Esta parte describe detalladamente los fundamentos teóricos aplicables al
funcionamiento del motor, incluyendo aspectos termodinámicos, de transferencia
de calor, de mecánica y dinámica de fluidos que igualmente son base de cálculo
del Programa ESP, consiguiendo así todas las bases necesarias para una
comprensión correcta de los fenómenos que ocurren en el motor y la forma de
trabajo del simulador.
El ESP tiene como tarea fundamental la simulación del desempeño termodinámico
de motores de combustión interna con carga homogénea, considerando un solo
cilindro y utilizando un análisis cero dimensional, una aproximación geométrica de
la estructura de la llama y un modelo de turbulencia de una ecuación que permite
conocer sus efectos sobre la combustión y transferencia de calor durante el ciclo.
Para hacer la descripción de lo que pasa entre el cilindro, el Programa se basa en
modelos obtenidos de ecuaciones diferenciales ordinarias que se obtienen de
hacer balances de energía, balances de masa, la ecuación del modelo de
turbulencia y otras ecuaciones auxiliares que relacionan las variables entre sí.
En el modelo utilizado por el ESP el gas en el cili ndro es idealizado como una mezcla perfecta, except uando la
etapa de quemado donde el gas se divide en dos zona s, quemado y no quemado. El análisis de esta etapa se
realiza basada en el Programa STANJAN. Este Progra ma es un complemento del paquete del ESP, el cual g enera
una tabla de propiedades termodinámicas cada cien g rados Kelvin para una reacción. El STANJAN permite
introducir los reactivos de la combustión con un co mbustible a escoger, su respectivo número de moles y de
acuerdo a una serie de condiciones de evaluación es pecificadas por el usuario, tales como presión de r eacción y
de salida de productos, permite seleccionar los pro ductos de la combustión y a su vez permite guardar una tabla de
propiedades termodinámicas, que es posible cargar e n el ESP y permite trabajar con condiciones diferen tes a las
determinadas.
El flujo de la mezcla es analizado como flujo compr esible isentrópico, asumiendo coeficientes de desca rga y,
además, considerando la posibilidad de que se prese nte un contra flujo en la válvula de admisión y esc ape. Las
presiones en los múltiples son consideradas como co nstantes, y son indicadas por el usuario 9.
La transferencia de calor del fluido a las paredes es calculada utilizando un
modelo de transferencia por convección forzada, que mediante la analogía de
Reynolds, utiliza un número de Stanton especificado por el usuario, basado en la
velocidad de turbulencia. La transferencia de calor del flujo a través de las
superficies de las válvulas se calcula igualmente con un modelo de transferencia
de calor por convección forzada, donde se calcula un número de Stanton de
acuerdo a la velocidad de turbulencia del fluido a través de la válvula.
La ignición ocurre cierto número de grados de giro del cigüeñal, especificados por
el usuario, y se asume no como un encendido gradual de la mezcla no quemada a
partir del arco eléctrico, sino como el encendido instantáneo de cierta fracción de
masa sin quemar (unburned). Después de la ignición, la llama se propaga a
través del cilindro de acuerdo a una geometría especificada por el usuario,
generalmente un frente de llama esférico que divide el cilindro en una zona de gas
quemado y no quemado, este último cediendo su masa a la parte quemada a
medida que avanza el frente de llama a una velocidad específica.
Una característica única en el ESP es el uso de un modelo de turbulencia utilizado
para calcular el parámetro de velocidad de turbulencia utilizado en los modelos
velocidad de llama y transferencia de calor. En lugar de considerar los gases
como homogéneos y estáticos, el modelo calcula la energía cinética promedio por
unidad de masa de los gases entre la cámara producida por el movimiento del
cilindro y los cambios de densidad que se presentan durante el proceso,
9 Ibid., p. 24.
permitiendo calcular flujos de energía cinética que entran y salen, al igual que las
pérdidas que se producen para generar toda esta turbulencia10.
Los cálculos del ESP siguen cuatro procesos: Compresión, Combustión,
Expansión e Intercambio de gases. La compresión inicia cuando se cierra la
válvula de admisión y se hace la combustión; la expansión se inicia cuando
termina la combustión y continua hasta que se abra la válvula de escape y,
finalmente, la etapa de intercambio de gases ocurre en el lapso desde que se abre
la válvula de escape hasta que la válvula de admisión se cierra.
A continuación se explicará cada proceso detalladamente, su fundamento teórico y
las relaciones matemáticas que lo caracterizan.
Características de los gases
Como paso inicial, el ESP asume que en los gases la energía interna u y su
entalpía h= u + Pv, son función únicamente de la temperatura. Entonces para
cada cambio de temperatura durante el ciclo, se calcula la respectiva entalpía y
energía interna; este procedimiento se realiza en el ESP a través del ESPJAN,
que calcula estas propiedades en función del tiempo en intervalos de 100K desde
200K hasta 4900K, y los componentes y condiciones de evaluación de la reacción,
basándose en la reacción de combustión de hidrocarburos y tomando parámetros
como las condiciones ambientales, que son especificadas por el usuario. El ESP
guarda estas tablas y las utiliza en posteriores cálculos.
2.1 ANÁLISIS DEL PROCESO DE COMPRESIÓN
10 Ibid., p. 24.
En éste proceso, el gas entre el cilindro se asume como un sistema cerrado de
masa constante y se hace un balance de energía aplicando la primera ley de la
termodinámica para un sistema (ley de la conservación de la energía):
. .dQ W
dt
ε= + (1)
De donde se obtiene la expresión de calor, despreciando los cambios de energía
cinética y potencial, en términos de la energía interna U y el trabajo hecho de un
punto 1 a un punto 2, W.
Figura 14. Esquema de primera ley.
1 2 2 1 1 2c pQ U U E E W= − + ∆ + ∆ +
1 2 2 1 1 2Q U U W= − + (3)
Con esto en mente y relacionando con los términos que se tienen para el sistema
pistón-cilindro (Figura 15):
Figura 15. Primera ley para la cámara de combustión durante la compresión
. .
, derivando: cpc c p c
dUQ U W Q W
dt− = − − = −
. .
0cp c
dUW Q
dt− + = (4)
Donde .
cQ es el calor transferido a las paredes del cilindro y a la cabeza del
pistón, negativo porque sale del sistema, cdU
dt es el cambio de la energía interna
de la mezcla contenida en el cilindro respecto al tiempo y .
pW es la potencia que el
pistón hace sobre los gases en la compresión.
Para el cálculo de la potencia del pistón utilizamos la relación entre presión, área
de aplicación y velocidad:
.
p p
dz dzW PA F
dt dt= = (5)
Donde P es la presión en el cilindro, pA es su área transversal y dz
dt es la
velocidad …ver numeral 1.2.2.1… del pistón respecto al punto muerto superior
(TDC). Los datos de velocidad y área del cilindro se obtienen de los cálculos
basados en información de frecuencia del motor y dimensiones geométricas
proporcionadas por el usuario, basadas en los siguientes parámetros explicados
por Lumley11:
• A partir de la presión efectiva (Mean Effective Pressure), presentada
durante la compresión y la expansión dada por la ecuación:
( ) ( )p d
N NP mep A Sn mep V
x x= = (6)
Donde P es la potencia, mep es la presión efectiva, pA es el área del
pistón, S es el recorrido, n es el número de cilindros, N es la velocidad en
rpm y X son las revoluciones por carrera de potencia. Para motores a
cuatro tiempos X=2 y para motores de dos tiempos X=1. El término dV es
el desplazamiento total.
• La velocidad media del pistón, tomando un promedio del tiempo esta dada
por:
11 Ibid., p. 24.
21/ 2
p
SV NS
N= = (7)
Donde S es la longitud de la carrera y N es la velocidad del motor en rpm.
• Otro parámetro tenido en cuenta es geométrico con la relación
diámetro/carrera. Expresado con la siguiente ecuación:
( )
2pb
d
P bmep V
V S X= (8)
Donde bmep es la presión efectiva al freno, que resulta de restar las
pérdidas de presión por fricción a la presión efectiva.
El cálculo del calor perdido o transferido hacia las superficies de la cámara se
basa en la transferencia de calor por convección forzada, ya que el movimiento de
los gases dentro del cilindro producido por el pistón y los cambios de densidad,
generan una turbulencia que afecta en gran manera lo que sería la pérdida o
ganancia de calor de un fluido estático a lo que realmente es, un fluido que se
mueve por distintos factores.
Para el cálculo del calor transferido a las superficies se utiliza la siguiente relación:
( ).
c t P c c WcQ St V C A T Tρ= − (9)
Donde cSt es un número de Stanton para el cilindro que se explica más adelante,
tV es la velocidad de turbulencia definida por Lumley como 0.5 ptV V= , ρ es la
densidad del fluido, PC es el calor específico a presión constante,
cA es el área de
transferencia de la superficie del cilindro, cT es la temperatura del fluido entre el
cilindro y wT es la temperatura de las paredes internas de la cámara.
Que resulta de la expresión básica de transferencia de calor por convección (10)
donde se despeja el término de Stanton de la ecuación (12) explicada por Pitts12:
( )c wQ hA T T= − (10)
( ).
xt P c c Wc
p t
hQ V C A T T
C Vρ
ρ
= −
( ) ( ).
x c c WcQ h A T T= −
Para esta comparación se hace uso de la Analogía de Reynolds para el flujo con
intercambio de calor, la cual mediante un grupo adimensional llamado número de
Stanton (St), proporcional al calor transferido sobre la capacidad térmica del fluido,
relaciona la fricción superficial con la transferencia de calor y es usada para
cálculos de convección forzada en particular (Figura 16). El número de Stanton es
equivalente a:
Re Prx
x
x
NuSt = (11)
Donde xNu es el número de Nusselt, Rex es el número de Reynolds y Pr es el
número de Prandt correspondiente.
12 PITTS, Donald R. SISSOM, Leighton E. Convección Forzada: Flujo Turbulento. Teoría y Problemas de Transferencia de Calor. Primera edición, Editorial Mc Graw-Hill.
Figura 16. Esquema del flujo con transferencia de calor entre la cámara de
combustión
Pero este número es definido a menudo de la siguiente forma:
p
hSt
C Vρ= (12)
Donde h es el coeficiente de transferencia de calor por convección, pC es el calor
específico del fluido, ρ su respectiva densidad y V la velocidad del fluido. Para
nuestro caso, la velocidad del fluido es la velocidad de turbulencia que se obtiene
del modelo de cambio de la energía cinética que se explicará mas adelante.
Datos experimentales dados por Lumley corroboran que en un flujo a alta
velocidad, la dirección del flujo de calor en la superficie es independiente de la
diferencia entre la temperatura de la pared y la temperatura de la corriente libre,
como en los flujos de baja velocidad, pero es dependiente de la diferencia entre la
temperatura real y adiabática de la pared. Entonces para correlacionar estos
datos experimentales, se toma la expresión de transferencia de calor por
convección y reemplazamos el coeficiente de convección por ch , que es el
coeficiente de convección del flujo a alta velocidad. Entonces se tiene:
( )c
c
w wa
qh
A T T=
− (13)
Donde cq es el calor transferido a las paredes del cilindro, A es su respectiva
área, wT es la temperatura real de la pared y
waT es la temperatura adiabática de
la pared del cilindro.
Ahora si se reemplaza (13) en la definición de flujo de calor para un fluido a una
temperatura constante que esta en contacto con una superficie con Pr=1, se
tiene13:
( )s c sp w wa
q gC T T
A V
τ∞
= −
c sc p
gh C
V
τ∞
= (14)
O de forma adimensional:
2
1
2 / 2 2fc c w
p
Ch gSt
V C V
τρ ρ∞ ∞ ∞ ∞
= = = (15)
13 Ibid., p. 34.
Se puede ver que el número de Stanton es igual a la mitad de la fricción superficial
si el coeficiente de convección se define como la ecuación anterior y si las
propiedades físicas se mantienen constantes. Cabe decir que la asunción de esta
última ecuación es valida inclusive si los valores de las propiedades cambian con
la temperatura, siempre y cuando éstas sean evaluadas correctamente.
2.2 ANÁLISIS DE LA ETAPA DE IGNICIÓN
La ignición de la mezcla aire-combustible en el motor de encendido por chispa,
según Obert14, se asegura al establecer un arco eléctrico a través del espacio
entre los electrodos de una o varias bujías. Pero la acción de este arco eléctrico
tiene varias teorías de acción o formas de cómo se activa la mezcla. Una de ellas
es de la acción eléctrica de la chispa, la cual comprende una acción capacitiva y
otra inductiva. Al ser el arco producido por la descarga de un condensador, este
se caracteriza por tener una alta frecuencia y una duración muy limitada, por lo
tanto, la intensidad de la corriente es muy alta, produciendo una ionización de las
partículas por la gran cantidad de energía liberada. El efecto de la acción
inductiva, si el circuito tiene tanta inductancia como capacitancia, será de menor
frecuencia pero más prolongado para disipar la misma cantidad de energía,
produciendo menor ionización pero mayor activación de las moléculas que un arco
capacitivo.
Probablemente la acción inductiva es la más efectiva para asegurar el encendido
de la mezcla, ya que son las partículas activadas y no los iones los que influyen en
la ignición, sin embargo, se debe sentar como base que el encendido es
asegurado por la acción térmica de la chispa.
14 OBERT, Op. cit., p. 2.
La acción térmica considera la adición de energía mediante la chispa a un
pequeño volumen de mezcla, este alcanza una temperatura de encendido y libera
energía química. Esta mezcla encendida a alta temperatura disipa calor a las
partes aún no quemadas con gran rapidez y asegura el poder quemar toda la
mezcla en el cilindro al ser la proporción de energía química liberada mayor que la
energía que se transfiere a la mezcla sin encender.
Con base en esto, se puede decir que la acción capacitiva de la chispa sería la
más influyente en la acción térmica, pero al diseñarse los sistemas de encendido,
se tiene en cuenta que las tres formas de ignición son factores para el buen
funcionamiento del motor y se busca que la ignición se haga de la mejor forma
posible.
Al producirse la chispa, esta quema una porción esférica del volumen contenido y
se propaga igualmente con un frente esférico limitado por la cámara de
combustión. Ya independientemente de cómo se produce la chispa, la esfera
incandescente pierde su capacidad de transferencia de calor al aumentar su radio,
se procura entonces quemar un volumen grande desde un principio. Esto se logra
aumentando el espacio entre electrodos de la bujía. Entonces el éxito del
encendido se apoya en:
• Una esfera grande estará menos expuesta a la extinción que una pequeña
por pérdidas por conducción.
• Es más posible encontrar mezcla combustible en un espacio grande entre
electrodos que en uno pequeño.
• Entre mayor sea la superficie inflamada se asegura un arranque mas rápido
de la combustión.
Con esto en mente, el simulador ESP considera la etapa de ignición como una
discontinuidad entre los procesos de compresión y combustión que ocurre a un
ángulo de giro del cigüeñal especificado previamente. Este proceso inicia con la
combustión instantánea de una fracción de los gases contenidos en el cilindro
(también predefinido), generando así una división de gases quemados y no
quemados, los cuales son homogéneos y se encuentran a la misma presión.
También se asume que no hay transferencia de calor o trabajo hecho por el pistón
y por consiguiente al no haber trabajo hecho por el pistón, éste no se está
moviendo lo que asegura que todo el proceso se realiza a volumen constante.
Entonces haciendo un balance de masa, energía y volumen entre el cilindro se
tiene (Figura 17):
u b cM M M+ = (16)
u b cU U U+ = (17)
u b cV V V+ = (18)
Figura 17. Esquema de la cámara de combustión durante la ignición
Donde M corresponde a la masa, U a la energía interna, V el volumen y los
sufijos u, b y c corresponden a no quemado (unburned), a quemado (burned) y a
lo contenido en el cilindro. Ahora reemplazando de la expresión U mu= ,
expresando (17) en términos de energías internas específicas u y partiendo del
hecho de que la ignición se realiza en un instante en que la cámara se encuentra a
volumen constante:
( ) ( )u u u b b b cM u T M u T U+ = (19)
Donde uu y bu son las energías internas específicas de las dos zonas y P+ es la
presión después de la ignición.
Igualmente al tomar (18) y utilizar la expresión de volumen específico V mv= , se
obtiene:
Volumen del Volumen de mezcla Volumen decilindro al momentono quemado despues mezcla quemada de la ignició de la ignición despues de la ignición
( , ) ( , )u u u b b b cM v T P M v T P V+ ++ =1442443 14243 {
n
(20)
Donde uv y bv son los volúmenes específicos de las dos zonas y P+ es la presión
después de la ignición.
Otra consideración importante que hace el Programa es que los gases no
quemados son isentrópicamente comprimidos por los gases quemados. Esto es
que el frente de llama que avanza va quemando gas sin quemar a su paso, pero al
mismo tiempo los comprime, y según el ESP, en esta compresión no hay pérdida
ni calor transferido por el fluido que está siendo comprimido. Con ésta
consideración se tiene:
Entropía zona Entropía zona no quemada no quemada a presión despues a presión antes de ignición de ignición
( , ) ( , )u u us T P s T P+ − −=14243 14243
(21)
Donde us es la entropía específica de la zona no quemada,
uT es la temperatura
después de la ignición, T− y P− corresponden a la temperatura y presión antes de
la ignición.
Entonces la fracción de gas quemado se toma de la fracción que el usuario
especifica y lo no quemado se obtiene del balance de masa, además, los balances
de energía interna, de volúmenes y del hecho que hay una compresión
isentrópica, tenemos un sistema de ecuaciones no lineales para P+ , uT y
bT .
( ) ( )
( , ) ( , )
( , ) ( , )
u u u b b b c
u u u b b b c
u u u
M u T M u T U
M v T P M v T P V
s T P s T P
+ +
+ − −
=
Linearizando la ecuación de energías internas se tiene:
_ _ _ _ _ _
u bu vu u u b vb b b cM u C T T M u C T T U + − + + − =
(22)
Ahora multiplicando la ecuación de volúmenes por P y linearizando:
_ _ _ _ _ _ _ _ _
u uu u u u b b b b cM Pv R T T M Pv R T T PV + − + + − =
(22)
Ahora, como la mezcla no quemada se comprime suavemente por la porción
quemada, podemos tratarla como si tuviera calor específico constante, y de la
condición que se tiene una compresión adiabática reversible (isentrópica),
entonces:
1
2 2
1 1
,
k
kk T P
Pv cteT P
−
= =
_ _ 1
k
k
UP T
P T
−+
− −
=
(23)
Con esta última expresión se halla _
P+ , y con esta nueva presión se resuelve el
sistema nuevamente hasta la convergencia.
2.3 ANÁLISIS DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN
El proceso de combustión en el motor encendido por chispa, según Obert15, se
inicia cuando las moléculas que están en ella y las que se encuentran alrededor
alcanzan un nivel de energía suficiente para mantener la reacción por si mismas.
El cambio de presión en este instante es pequeño ya que la fracción de partículas
energizadas es muy pequeña, por lo que se considera que la combustión de cada
elemento infinitesimal ocurre a presión constante. En esta parte la velocidad de la
llama es lenta ya que se forma una zona de reacción, que se establece por lo
general en zonas de poca turbulencia, de ahí que las bujías se sitúen en lugares
cercanos a la superficie de la cámara y que el encendido de la chispa se haga
antes de terminar el proceso de compresión para asegurar que el proceso se haga
a alta presión.
Después de hacerse la ignición por parte de la bujía, la reacción avanzará desde
ella con un frente de forma esférica, con límites un poco rasgados por las
corrientes convectivas producidas por la turbulencia, como se ve en la Figura 18,
que muestra el desempeño de la combustión a medida que gira el cigüeñal.
Además, la llama también se ira enfriando en las zonas cercanas a las paredes
por el calor perdido a través de ellas.
Entonces al producirse el frente de llama esférico denotando una zona
incandescente, esta ira creciendo y recorriendo la cámara de combustión,
tomando parte de la mezcla aún sin encender pero también comprimiéndola,
asegurándose que la combustión de cualquier parte de la mezcla se haga a
presión constante así la presión a través del proceso haya aumentado, lo que
quiere decir que el aumento de presión se ve compensado por el aumento del
volumen de la cámara. Este frente de llama se mueve lentamente al principio
entre la mezcla fría (alrededor de 9m/s, ver Figura 19), lo que restringiría
enormemente la velocidad del motor pero la rapidez del frente se puede multiplicar
15 OBERT, Op. cit., p. 2.
aumentando la turbulencia de la mezcla y asegurando que las partes encendidas y
las que no, se mezclen entre sí.
La propagación de la combustión, partiendo que se busca favorecer la reacción
química entre combustible y oxígeno, estaría favorecida por una mezcla rica, ya
que la liberación de átomos de hidrógeno altamente activados que se difundan
entre la mezcla fría es más probable. Pero de allí parten otras formas de hacer
que la combustión sea eficiente sin necesidad de utilizar una mezcla rica, que a la
larga es inconveniente económicamente, utilizando otras formas como el aumento
de la turbulencia dentro de la cámara.
Figura 18. Avance de la combustión respecto al giro del cigüeñal.
EDWARD F. OBERT. Motores de Combustión Interna, Análisis y Aplicaciones
Figura 19. Velocidad de la llama.
EDWARD F. OBERT. Motores de Combustión Interna, Análisis y Aplicaciones
El ESP considera el proceso de combustión definiendo la zona quemada y no
quemada como homogéneas, además, durante el proceso, las presiones de
ambas zonas se considera igual. Entonces aplicando primera ley de la
termodinámica, se hace un balance de energía para cada zona (Figura 20):
Figura 20. Flujos de energía en las dos zonas de combustión.
.
uQ.
bQ
.
uW
.
b um h.
bW
BurnedUnburned
JOHN L. LUMLEY. Engines: An Introduction
Entonces para la zona no quemada (unburned) se hace el balance:
1 2Energía Energía=
Entonces si se toma el cilindro como un sistema de estado uniforme-flujo uniforme
y se aplica primera ley siguiendo los flujos de la Figura 12:
( ) ( ) ( )2 2 1 1i i i i e e e eQ W M h Q W M h M u M u+ + + + + = −∑ ∑
. .u u
b u cu
dV dUM h Q P
dt dt− − = + (24)
Donde los términos a la izquierda de la igualdad representan calor que sale del
sistema hacia las paredes de la cámara (.
uQ ) y hacia la zona no quemada de la
mezcla (.
b uM h ). Los términos de la derecha son en su orden el trabajo realizado
por el cambio de volumen de los gases sin quemar y el cambio de su energía
interna ambas respecto al tiempo.
Para la zona quemada (Burned) se tiene aplicando primera ley para sistema de
estado uniforme-flujo uniforme:
. . .
. .
bb bu b
b bb u cb
dUM h Q W
dt
dV dUM h Q P
dt dt
− = +
= + + (25)
Donde .
bQ es el calor transferido a las paredes de la cámara, .
b uM h es la energía
transferida a la zona no quemada, bc
dVP
dt es el trabajo realizado por la expansión
de los gases y bdU
dt es el cambio de energía interna.
Ahora se tiene la ecuación de continuidad, una ecuación auxiliar de volumen y la
ecuación de estado para gas ideal:
. .
,
u b c u bM M V V V
PV MRT
= = +
=
Volumen zona Volumen zona no quemada quemada
u u u b b bc
c c
M R T M R TV
P P= +14243 14243
(26)
Ahora multiplicando por cP y derivando se tiene:
.` ` ( )c c u b
c c u u b b b b u
dP dV dT dTV P M M M
dt dt dt dtα α α α+ = + + − (27)
Donde `( ) , ( )d
T RT y Tdt
αα α= = .
Ahora reescribiendo los balances de energía por zona en términos de U=h-Pv se
tiene:
U H PV= −
dU dH dV dPP V
dt dt dt dt= − − (28)
Ahora reemplazando (28) en (24) para la zona no quemada:
. .u u u c
b u c cu
dV dH dV dPM h Q P P V
dt dt dt dt− − = + − −
. .u c
b u u
dH dPM h Q V
dt dt− − = − (29)
Reemplazando (28) en (25) para la zona quemada:
. .b b b c
b u c c bb
dV dH dV dPM h Q P P V
dt dt dt dt= + + − −
. .b c
b u bb
dH dPM h Q V
dt dt= + − (30)
Si se expresa la entalpía como H=mh y que dh=Cp*dt, se tiene:
.u c
u pu u u
dT dPM C V Q
dt dt= − (31)
y
. .
( )b cbb pb b u bb
dT dPM C V Q M h h
dt dt= − + − (32)
Ahora reemplazando en la derivada de la expresión de volumen:
( ). . . .
( ) ( ) ( )c cb bc u u b b c b u b u b b uu b
dP dVV V V P M h h Q Q M
dt dtβ β β β β α α− − = − + − − + + − (33)
Donde `( ) / pT Cβ α= . Mediante esta última relación el ESP integra para hallar cdP
dt
tomando 1, donde p
v
C
C
γβ γγ−= = para cada zona, se hallan las entalpías
correspondientes y se itera desde los balances de masa para obtener las nuevas
temperaturas. Para hallar el volumen de mezcla no quemada se utiliza la
siguiente relación que multiplicada por uV , dividida por c cV P :
u u u b b bc
c c
M R T M R TV
P P= +
( )( ) ( )
u u
c u b
MRTV
V MRT MRT=
+ (34)
Finalmente la presión se calcula de la ecuación de estado del gas ideal.
Ya para valores que son necesarios dentro de las ecuaciones tales como calores
transferidos y flujos de masa, el procedimiento utilizado es el siguiente:
Para cálculo del calor que se transfiere a las dos zonas se utilizan las siguientes
expresiones:
( ).
u tu u Pu u u WuQ St V C A T Tρ= − (35)
( ).
b tb b Pb b b WbQ St V C A T Tρ= − (36)
Cuyo origen fue explicado en la parte 2.2. y en donde uSt y
bSt son números de
Stanton especificados por el usuario basadas en las correspondientes velocidades
de turbulencia tuV y tbV en cada zona y las áreas uA y bA se determinan mediante
una tabla de geometría de llama seleccionada por el usuario, dependiendo si se
toma un frente esférico o cilíndrico.
Para los flujos de masa se tiene:
.
, b f u f f L f tuM A V V V C Vρ= = + (37)
Donde fA es el área proyectada del frente de llama, uρ es la densidad de la
mezcla no quemada y fV es la velocidad del frente de llama. Los términos de la
velocidad de llama son LV que es la velocidad de la llama y el término tuV que es
la velocidad de turbulencia que se produce por los cambios rápidos de densidad y
la compresión rápida. Estos datos son proveídos por la tabla de geometría de
llama, que indica como crece el frente de llama a medida que gira el cigüeñal, y
ofrece varias opciones de configuración de la llama.
El ciclo o etapa de combustión finaliza cuando la válvula de escape se abre y se
inicia el ciclo de intercambio de gases.
2.4 PROCESO DE EXPANSIÓN
En este proceso, al igual que en el proceso de compresión, el gas entre el cilindro
se asume como un sistema cerrado de masa constante y se hace un balance de
energía aplicando la primera ley de la termodinámica para un sistema (ley de la
conservación de la energía, ecuación 1):
. .dQ W
dt
ε= +
De donde se obtiene la expresión de calor, despreciando los cambios de energía
cinética y potencial, en términos de la energía interna U y el trabajo hecho de un
punto 1 a un punto 2, W.
1 2 2 1 1 2c pQ U U E E W= − + ∆ + ∆ +
1 2 2 1 1 2Q U U W= − +
Con esto en mente y relacionando con los términos que se tienen para el sistema
pistón-cilindro:
. .
, derivando: cpc c p c
dUQ U W Q W
dt− = + − = +
. .
0cp c
dUW Q
dt+ + = (38)
Donde .
cQ es el calor transferido a las paredes del cilindro y a la cabeza del
pistón, negativo porque sale del sistema, cdU
dt es el cambio de la energía interna
de la mezcla contenida en el cilindro respecto al tiempo y .
pW es el trabajo que los
gases hacen sobre el pistón en la compresión.
Para el cálculo del trabajo del pistón se utiliza expresión (5), que relaciona presión,
área de aplicación y velocidad, siguiendo los mismos parámetros de presión media
efectiva, velocidad media del pistón y la relación diámetro-carrera explicados por
Lumley y citados en el caso de compresión…ver numeral 2.1….
El cálculo del calor perdido o transferido hacia las superficies de la cámara se
basa en la transferencia de calor por convección forzada, ya que el movimiento de
los gases dentro del cilindro producido por el pistón y los cambios de densidad,
generan una turbulencia que afecta en gran manera lo que seria la pérdida o
ganancia de calor de un fluido estático a lo que realmente es, un fluido que se
mueve por distintos factores.
Para el cálculo del calor transferido a las superficies se utiliza la relación (9)
descrita por Lumley …ver el numeral 2.2….
Para éste proceso, se obtiene un número de Stanton de la misma forma que en el
proceso de compresión, con la expresión (15)
La diferencia principal entre los dos procesos es la consideración del sentido del
flujo en el sistema. Mientras que en el proceso de compresión el sentido es
negativo por el trabajo que hace el pistón sobre el sistema, en la expansión es
positivo, puesto que el aumento de presión de los gases produce un esfuerzo
sobre las paredes del cilindro y la cabeza del pistón, y es trabajo que produce el
sistema sobre el medio.
2.5 ANÁLISIS DEL PROCESO DE INTERCAMBIO DE GASES
El proceso de intercambio de gases inicia cuando finaliza el proceso de expansión
y se abre la válvula de escape, incluyendo la posibilidad de que ambas válvulas,
incluyendo la de admisión, se encuentren abiertas al mismo tiempo (traslape).
Este análisis se lleva a cabo primero con el conjunto completo de cilindro y su
correspondiente entrada y salida de flujo que en éste caso sería las válvulas de
admisión y escape. Luego se hace el análisis de contra flujo tomando por
separado admisión y escape.
Para la primera parte se analiza el sistema como un proceso de estado uniforme
flujo uniforme. Este proceso modela termodinámicamente el llenado, vaciado o
ambas acciones de un recipiente durante un tiempo definido, el cual en nuestro
caso y para el ESP, está definido por cierto número de grados de giro del cigüeñal.
Otra característica importante de este proceso es que se permite el cambio de
masa con respecto al tiempo dentro del volumen de control, es decir, el recipiente
se llenará o se vaciará por completo en un tiempo determinado. La forma general
que modela este sistema es:
2 22 22 1
2 2 2 1 1 12 2 2 2e i
vc e e e i i i vc
vc
V VV VQ M u z g M u z g M h z g M h z g W
= + + − + + + + + − + + +
∑ ∑
uur uuruuur uur
Donde los sufijos 1 y 2 hacen alusión a los límites de un período de tiempo y los
sufijos i y e se refieren a la entrada y salida respectivamente. El término M
corresponde a la masa, u a la energía interna específica, V a la velocidad del
flujo, h a la entalpía, z la altura y, finalmente, W representa el trabajo. En
general, esta ecuación dice que el calor de un volumen de control está
determinado por la energía de la masa resultante que se acumule (ya sea que
aumente o disminuya) en un lapso de tiempo 1-2, incluyendo su energía interna,
cinética o potencial, la adición de energía proveniente de un flujo que entra, la
salida de energía de un flujo que sale y las modificaciones que acarrea un trabajo
hecho por el sistema a hecho por él.
Entonces, para el caso particular, se tiene el volumen de control con sus
respectivas entradas y salidas como se muestra en la Figura 21:
Entonces aplicando la ley de conservación de energía o primera ley para este
sistema y despreciando los cambios de energía potencial y cinética se tiene esta
forma general:
( ) ( ) ( )2 2 1 1i i i i e e e eQ W M h Q W M h M u M u+ + + + + = −∑ ∑ (39)
Figura 21. Sistema de estado uniforme flujo uniforme del intercambio de gases.
JHON L. LUMLEY. Engines: An Introduction
Reemplazando con los términos del sistema:
. . . . . . . .c
i eb e ibi e p e cc ev iv
dUM h M h W Q Q Q M h M h
dt
+ + − + + + + =
(40)
Donde .
i iM h y .
e eM h son los flujos de masa por las válvulas de admisión (intake) y
escape (exhaust) con sus respectivas entalpías específicas; .
ib cM h corresponde al
contra flujo de masa a través de la válvula de admisión (intake backflow) con la
entalpía correspondiente a los gases dentro del cilindro y .
eb eM h corresponde al
contra flujo de masa a través de la válvula de escape (exhaust backflow) con la
entalpía correspondiente a los gases de entrada del cilindro; .
ivQ y .
evQ
corresponden a los flujos de calor que se pierden a través de las superficies de las
válvulas de admisión y escape; .
cQ es el flujo de calor que se pierde a través de
las paredes del cilindro; cdU
dt es el cambio de energía interna con respecto al
tiempo de los gases que están en el cilindro y .
pW corresponde al trabajo que los
gases hacen sobre el pistón.
Ahora arreglando la expresión según los flujos de energía en cada válvula:
. . . . . . . .
En Flujo energético Flujo energético volumen de control volumen de control en la admisión en el escape
ci ib eb ei c e e piv ev c
dUM h M h Q M h M h Q Q W
dt
− − + − − = + + 144424443 14444244443
ergía que sale del sistema del cilindro
1442443 (41)
Para hacer el análisis también se puede utilizar la ecuación de continuidad para el
sistema:
. . . .c
i eb ib e
dMM M M M
dt= + − − (42)
2.5.1 Análisis de contra flujo. En el análisis de contra flujos en los múltiples del
motor se hace considerando una porción de conducto como se muestra en las
Figuras 22 y 23, donde se muestra un corte punteado del volumen de control y los
respectivos flujos de energía indicados. Como en esta parte se considera que la
mezcla o los productos de combustión no se acumulan, se establece un proceso
de estado y flujo permanente o de estado estable flujo estable.
Figura 22. Volumen de control en la zona de admisión.
JHON L. LUMLEY. Engines: An Introduction
Figura 23. Volumen de control en la zona de escape.
JHON L. LUMLEY. Engines: An Introduction
Entonces haciendo un balance de energía aplicando primera ley se tiene:
2 2. . . .
( ) ( )2 2i e
i e vci i e evc
V VQ M h z g M h z g W+ + + = + + +∑ ∑
uur uur
Para la parte de admisión en particular, despreciando los cambios de energía
cinética y potencial, se tiene:
ib ib c iv i iH M h Q M h= − −
ib ib iv ic i
dH dM dQ dMh h
dt dt dt dt= − −
{
. . .
Cambio de entalpía contraflujo de admisión con el tiempo
ibib ic iiv
dHM h Q M h
dt= − − (43)
Donde ibdH
dt es el cambio de la entalpía en la zona de contra flujo;
.
ib cM h es el
flujo de masa del contra flujo por la entalpía de los gases contenidos en el cilindro;
.
ivQ es el calor que se pierde por la superficie de la válvula de admisión y .
i iM h es
el flujo de masa de la mezcla fresca que entra por su respectiva entalpía. La
entalpía total del volumen de control cambia por el cambio de su energía interna
total y por el trabajo que los gases hacen sobre la mezcla fresca que trata de
entrar.
Para la zona de escape se hace un análisis similar:
e e c ev eb eH M h Q M h= − −
e e ev ebc e
dH dM dQ dMh h
dt dt dt dt= − −
{
. . .
Cambio de la entalpía de gas de escape respecto al tiempo
ee ebc eev
dHM h Q M h
dt= − − (44)
Donde edH
dt es el cambio de la entalpía en la zona de contra flujo en el escape;
.
e cM h es el flujo de masa de los gases de escape por la entalpía de los gases
contenidos en el cilindro; .
evQ es el calor que se pierde por la superficie de la
válvula de escape y .
eb eM h es el contra flujo de masa de los gases de escape por
la respectiva entalpía. La entalpía total del volumen de control cambia por el
cambio de su energía interna total y por el trabajo que los gases hacen sobre la
mezcla fresca que trata de salir.
Dado que se habla de procesos de estado estable flujo estable, se puede apoyar
también en las ecuaciones de balance de masa:
Para la zona de admisión:
. .ib
ib i
dMM M
dt= − (45)
Para la zona de escape:
. .e
e eb
dMM M
dt= − (46)
Para el cálculo de los flujos de masa se utiliza la siguiente expresión:
( ).
, , , ,d bM C F A P Pρ γ= (47)
En esta expresión se tiene un flujo isentrópico función del área de flujo, la
densidad del fluido, las presiones antes y después de la contracción hecha en la
cabeza de la válvula y p
v
C
Cγ = correspondiente a las propiedades del fluido,
modificado por un coeficiente de descarga dC que relaciona el flujo total posible
por la válvula con el flujo real producido por la contracción.
Los calores perdidos a través de las superficies de las válvulas se calculan con la
expresión ya conocida:
( ).
v v P v WvQ St V C A T Tρ ∞= − (48)
Donde se especifica un número de Stanton, vSt a la velocidad del flujo isentrópico
a través de las válvulas vV . La densidad ρ , el calor específico
PC y la temperatura
T se calculan en la zona antes de la entrada al volumen de control. vA es el área
efectiva de transferencia de calor.
2.6 MODELO DE TURBULENCIA
Antes de ahondar en las particularidades del manejo de turbulencia hecho en el
ESP, se dará una explicación general de lo que es un flujo turbulento, sus
características de formación, transporte y difusión.
El flujo turbulento se puede definir de forma básica como un fluido cuyo número de
Reynolds (Re) es mayor a 2300. Esto sugiere que son fluídos que viajan rápido y
que contienen mucha energía. Pero ya tratando más de cerca el fenómeno de
turbulencia, es difícil definirlo como tal pero se tienen una serie de características
particulares descritas en Davidson16:
16 DAVIDSON, Lars. An Introduction to to Turbulence Models. Göteborg, Sweden: Nov 2003. Avaiable in: http://www.tfd.chalmers.se/~lada/postscript_files/kompendium_turb.pdf
• Irregularidad: es un flujo irregular, al azar y caótico. El flujo consiste en un
espectro de diferentes escalas o diferentes tamaños de remolinos donde los
mas grandes son del orden de la geometría de flujo (distancia de la capa
límite, ancho del chorro o jet, que es un flujo a alta velocidad que pasa por
un pequeño orificio) y los remolinos más pequeños producidos por las
fuerzas viscosas se disipan a energía interna. Aunque la turbulencia es
caótica se puede determinar su comportamiento con las ecuaciones de
Navier-Stokes.
• Difusividad: en estos flujos la difusividad crece, y el esparcimiento de capas
límite, y jets se incrementa. La turbulencia aumenta el intercambio de
momento y la fricción con las superficies.
• Números de Reynolds elevados: la turbulencia se presenta a números de
Reynolds elevados. La transición en flujo en tubos se presenta a Re=2300
y en capas límites a Re=100000.
• Tridimensional: el flujo es siempre en tres dimensiones, sin embargo,
cuando se trabajan las ecuaciones con tiempos promedios, se puede tratar
como bidimensional.
• Disipación: la turbulencia es disipativa, pasando de un remolino más grande
a otro más pequeño y así sucesivamente, hasta que los remolinos más
pequeños disipan la energía en energía interna. Este es el llamado proceso
de cascada.
• Continuo: aunque tenemos remolinos a escalas muy pequeñas en el flujo,
estos son mucho más grandes que las escalas moleculares, y se puede
tratar el flujo como continuo.
En particular es de interés estudiar de forma general el comportamiento de la
energía dentro de un flujo turbulento y como esta se convierte de una forma a otra.
La predicción de las características de un flujo turbulento al ser este caótico y al
azar, necesita ser estudiado estadísticamente, con una cantidad principal
promediada en el tiempo (denotada por una barra encima) más una cantidad
fluctuante, esto se llama la descomposición de Reynolds:
_
`U U U= + (49)
Donde `U es la componente fluctuante en este caso de la velocidad, dada por la
derivada en el tiempo de la componente principal y _
U es la componente promedio
en el tiempo T dada por:
_
0
1 T
U UdtT
= ∫ (50)
En general las propiedades de los flujos turbulentos se pueden tratar con la
descomposición de Reynolds, en el caso de la presión:
{ { {
_
Presión Componente Componente total principal fluctuante
`P P P= +
Ahora valiéndonos de las ecuaciones de Navier-Stokes descritas en Pitts17
tenemos para la dirección x (asumimos flujo bidimensional al trabajar con
promedios en el tiempo):
2
2
` ` `cgu u d p u u u vùu v v
x x dx y x y
δ δ δδ δδ δ ρ δ δ δ
+ = − + − +
(51)
Esta ecuación es valida para la porción turbulenta de la capa límite que se
muestra en la Figura 24. Los tres términos de la derecha representan
17 PITTS, Op. cit., p. 34.
respectivamente los efectos de la presión (esfuerzo normal), viscosidad (esfuerzo
cortante) y las fluctuaciones turbulentas (esfuerzos de Reynolds o aparentes).
Figura 24. Capa limite de turbulencia.
DONALD R. PITTS. Teoría y Problemas de Transferencia de Calor
Ahora también para este caso podemos considerar la ecuación de continuidad
para flujo turbulento en dos dimensiones:
( ) ( ) ( )` ` 0 0
u u v v U
x x t x
δ δ δ ρδρδ δ δ δ
+ ++ = + = (52)
( ) 2
3 xy
UVU P U V W
dt y x y y x w
δ ρδρ δ δ δ δ δµ δδ δ δ δ δ δ
+ = − + + −
El último término de la ecuación de continuidad de Navier-Stokes es muy
importante dado que representa los efectos de dilatación y compresión del fluido,
relacionados directamente con la compresión y expansión de la cámara de
combustión generada por el pistón.
2.6.1 Espectro de energía (e). La energía de un flujo turbulento sigue un
proceso llamado proceso de cascada, porque la energía fluye de una parte con
mayor energía a una con menor, hasta que se disipa. La energía está contenida
en una corriente principal, que contiene la mayor cantidad y escala más grande,
de donde los remolinos más grandes toman energía, lo pasan a otros más
pequeños y así sucesivamente, hasta que las fuerzas viscosas sean más grandes
que la energía cinética de los remolinos pequeños y esta se convierta en energía
interna. Esto es la explicación de que un flujo turbulento eleve su temperatura.
El espectro de energía se describe según Davidson18 mediante el número de
onda, k, que es inversamente proporcional al radio del remolino. Entonces
tenemos que la energía que se disipa a un remolino de k a k k+ ∆ esta dada por
( )E k dk y la energía total del proceso de cascada será:
0
1( ) , k E k dk k
r
α
α= ∫ (53)
En la Figura 25 se muestra esquemáticamente el cambio de energía con el
tiempo, donde la porción I demarca la extracción de energía del flujo principal, II
demarca la generación de remolinos e inicio del proceso inercial de cascada y
finalmente III delimita la disipación a energía interna.
18 DAVIDSON, Op. cit., p. 59.
Figura 25. Comportamiento de la energía respecto al número de onda k.
2.6.2 Escalas. El movimiento de un flujo turbulento existe en una amplia gama
de escalas de tamaño y tiempo. Las de tamaño corresponden a la fluctuación del
movimiento de los remolinos. Las escalas más grandes están limitadas por las
dimensiones geométricas del flujo.
Observaciones muestran que los remolinos pierden la mayoría de su energía
después de uno o dos giros. Entonces, la tasa de energía transferida de un
remolino grande a otro es proporcional a C veces su frecuencia de rotación. La
energía cinética es proporcional a la velocidad al cuadrado, en este caso la
fluctuante. La frecuencia de rotación es proporcional al cambio de la velocidad
con el tiempo dividido por la escala integral de tiempo. Entonces la tasa de
disipación es del orden de:
3U
lε = (54)
Se puede ver que la tasa de disipación es independiente de la viscosidad y sólo
depende del movimiento a grandes escalas. Diferente de lo que ocurre en las
escalas a las cuales ocurre la disipación, que dependen de la viscosidad. Éstas
escalas de disipación se conocen como las micro escalas de Kolmogorov, η, que
combinan la tasa de disipación y la viscosidad cinemática en una expresión con
dimensiones de tamaño:
13 4
ση αε
(55)
2.6.3 Energía cinética turbulenta (TKE). Uno de los aspectos más interesantes
dentro del estudio de la turbulencia es el de generación y comportamiento de la
energía cinética, que de igual forma es la base del modelo de turbulencia utilizado
por el ESP.
Las propiedades del flujo, que se estudian con promedios de tiempo de una
componente principal y otra fluctuante, la energía cinética también se trata de
forma similar, estudiando la cinética del flujo principal y la cinética de la
componente turbulenta. De forma básica definimos la energía cinética de un flujo
turbulento de la siguiente forma general19:
( )2 2 21 1
2 2 i iK u v w u u= + + = (56)
Donde u, v y w corresponden respectivamente a las velocidades promediadas en
el tiempo en las coordenadas x, y y z.
Pero ahora miraremos a fondo su comportamiento en cada componente del flujo:
19 ROBERT, Philip J- W. WEBSTER, Donald R. Turbulent Diffusion. Atlanta, USA: 2002. Avaiable in: www.ce.gatech.edu/~dwebster/asce_chapter.pdf
2
Disipación viscosa(usualmente pequeñaCambio total en la energía Termino de transporte
cinética turbulenta del flujo principal
12 ` ` 2
2 xy xy xy
d pvu uS u v u S S
dt y
δ σ σδ ρ
− = + − − 14243 1444442444443
) Perdidas a turbulencia
` `u
u vy
δδ
+14243
123
(57)
Donde 1 ` `
2xy
u vS
y x
δ δδ δ
= +
es el tensor de deformación del campo principal.
En el término de transporte, la parte pv
ρ−
representa el cambio de la energía
producida por la presión del flujo principal respecto a un eje coordenado (trabajo
de la presión); la parte 2 xyuSσ tiene en cuenta la energía generada por el campo
fluctuante y 2` `u v es la energía disipada. El término 2 xy xyS Sσ representa, como se
ve en la ecuación, la disipación por efectos de la viscosidad en las regiones del
campo fluctuante. El término de producción de energía, ` `u
u vy
δδ
, es similar al de
pérdidas a turbulencia menos en el signo. Este término corresponde a energía
cinética transferida de escalas grandes a pequeñas. En esta ecuación la
disipación no es pequeña dado a lo pequeño de las escalas donde se presenta.
Finalmente el término de trasporte se refiere al movimiento espacial de la energía
cinética.
La ecuación indica que el cambio total en la energía cinética del flujo resulta de la
combinación de efectos de transporte, disipación por viscosidad y pérdidas a
turbulencia. Las pérdidas a turbulencia dominan la parte derecha de la ecuación
dado que gran parte de la energía se transfiere a los remolinos más grandes del
flujo. Las pérdidas por viscosidad son pequeñas porque los gradientes de
velocidad principales son muy grandes. El término de transporte representa el
movimiento espacial de la energía cinética principal.
De igual forma, para la parte turbulenta del flujo tenemos:
2 2
Disipación viscosaCambio total en la energía Produccion deTermino de transporte cinética turbulenta energía
12 ` ` 2 ` `
2 xy xy xy
d pv uu uS u v S S u v
dt y y
δ δσ σδ ρ δ
− = + − − − 14243
14243 12314444244443
(58)
Donde 1 ` `
2xy
u vS
y x
δ δδ δ
= +
es el tensor de deformación del campo fluctuante.
En esta ecuación los términos tienen la misma interpretación que en la ecuación
de energía cinética para el campo principal.
En el ESP, la turbulencia se trata con un modelo de una ecuación, donde se
resuelve una ecuación de comportamiento de la energía cinética turbulenta. Las
escalas de longitud se deben dar de forma algebraica, por ejemplo el espesor de
la capa límite, el espesor del chorro o en el caso del ESP las dimensiones de la
cámara.
Entonces el modelo que usa el ESP, se basa en la siguiente ecuación de energía
cinética turbulenta por unidad de masa20:
{{ {
Producción Disipación de energía Cambio en la
Energía a traves de las valvulasenergía cinetica
1 c
c
dMdKP D I E K
dt M dt
= − + − − 144424443
(59)
El modelo involucra la producción de energía cinética, P, la disipación, D y las
características del flujo a través de las válvulas de admisión y escape, I y E.
20 LUMLEY, Op. cit., p. 24.
El término P de producción de energía involucra los efectos de la deformación en
el flujo provocado por el movimiento del pistón y los efectos de la compresión en la
turbulencia. Entonces P esta definido así:
3 2 1
3w c
p p
c c
A dVP F V k
V V dt= − (60)
El primer término, refiere a los efectos del movimiento del pistón. En este se
presenta la primera definición algebráica de la escala de longitud del flujo,
relacionando el volumen de la cámara cV y su área superficial wA . De esto
tenemos que la tasa de deformación principal varía con wp
c
AV
V donde pV es la
velocidad del pistón. El segundo término representa los efectos de la compresión,
termino que aparece en la ecuación de continuidad de Navier-Stokes. El
coeficiente 2/3 esta dado por la teoría de la distorsión rápida y cV es el volumen
del cilindro. La inclusión del término de efectos de compresión es importante dado
que afecta el nivel de turbulencia y por ende la tasa de combustión.
El segundo término, D, se refiere a la disipación de energía por unidad de masa,
que como se discutió atrás, varía según 3u
l, donde u es la velocidad del flujo y l
es la escala de tamaño de los remolinos más grandes. Estas pérdidas se pueden
comparar con las que se presentan en el cilindro entonces la disipación se modela
así:
13
td
c
kVD F
V= (61)
Los términos I y E se obtuvieron de experimentos hechos por la Universidad de
Stanford, donde se asegura que la mayor parte de la energía cinética del flujo
principal que entra o sale por las válvulas se convierte en turbulencia después de
pasar el pasaje. Entonces tenemos:
.2 .
2
ii iib
F M VI M K
= −
(62)
En la parte de admisión la energía cinética esta dada por el flujo de masa que
entra y la velocidad del flujo, modificados por un coeficiente dado por el usuario.
También se tiene en cuenta la energía cinética que se escapa por el contra flujo.
.2.
2
ebe ee
F M VE M K
= −
(63)
En la parte de escape la energía cinética esta dada por el flujo de masa que sale y
su energía cinética. También se tiene en cuenta la energía cinética que se escapa
por el contra flujo modificado por un coeficiente dado por el usuario.
3. INTRODUCCIÓN AL ENGINE SIMULATION PROGRAM (ESP)
Después de analizar el fundamento teórico del Programa, en este capítulo se hará
una descripción gráfica del Programa, las diferentes partes y su función particular.
Después de esto podrá hacerse uso del Programa.
3.1 DESCRIPCIÓN GRÁFICA DEL PROGRAMA
A continuación se presentan las partes principales del Programa con una breve
descripción. Las partes dentro de la ventana gráfica del ESP en la Figura 26,
señaladas con letras son en su orden:
• Barra de herramientas (A)
• Barra de estado (B)
• Área de mensajes y gráficos (Executing ESP) (C)
• Área de entrada de datos o selección de acciones (Data Input and Action
Selection Area) (D)
• Botón de confirmación (Continue) (E)
En la descripción de cada parte se hará énfasis especial en la parte D de área de
entrada de datos y selección de acciones, puesto que contiene todas las opciones
que permiten al usuario hacer la selección de todos los parámetros, incluyendo
ambientales, geométricos y de modelado de situaciones físicas, proporcionando
todas las características necesarias para la simulación de casos determinados.
Figura 26. Ventana gráfica de ESP
D
E
C
AB
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
3.1.1 Barra de herramientas (A). La barra de herramientas tiene opciones de
edición, búsqueda, ejecución y graficación, diseñadas para trabajar la simulación,
como se ve en la Figura 27.
Figura 27. Vista de la barra de herramientas del ESP
Engine Simulation Program
La descripción de la función de cada botón se hace a continuación, ubicada al
frente del respectivo icono.
Detiene la ejecución del código y cierra el Programa.
Detiene la ejecución del código.
Recarga el código.
Imprime el contenido de la actual vista en el área de mensajes.
Guarda el archivo de Notepad.
Crea un archivo de Notepad.
Copia la ventana activa al Notepad.
Deshace los cambios en el Notepad.
Rehace los cambios en el Notepad.
Busca y reemplaza texto en el Notepad.
Minimiza o maximiza el área de datos.
Expande todas las casillas.
Contrae todas las casillas.
Importar archivo de texto.
Muestra los gráficos tipo Matlab.
3.1.2 Barra de estado (B). Muestra el estado actual de ejecución del código y el
Programa que se ejecuta con su respectivo nombre, por ejemplo al ejecutar el
ESP, se vera “Executing: ESP” o si se encuentra en ejecución alguna aplicación
complementaria como el ESPCAM o el ESPJAN, mostrará el mensaje respectivo.
3.1.3 Área de mensajes y gráficos (C). En ésta área el Programa despliega los
resultados de la ejecución de x número de ciclos, del desempeño del último ciclo
ejecutado y de los gráficos seleccionados de la configuración de motor que se
simula, como se ve en la Figuras 28 y la Figura 29, que muestran respectivamente
el despliegue del resultado de la ejecución de 10 ciclos y la gráfica de flujo de
energía. También se pueden crear o importar archivos de texto y modificarlos.
Igualmente tiene una serie de etiquetas en la parte superior que permite revisar las
acciones que se han venido ejecutando, una etiqueta de mensajes, de errores y
otra de historial de ayuda (ver Figura 28).
Figura 28. Despliegue de resultados de la ejecución de 10 ciclos
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
En el despliegue anterior el ESP muestra para cada ciclo datos de eficiencia
volumétrica, el tiempo requerido, la presión y el volumen de la mezcla manejada.
Figura 29. Despliegue de la gráfica de flujo de energía
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
La gráfica de flujos de energía muestra el comportamiento de la energía que se
encuentra en el sistema pistón cilindro para un ciclo. Muestra la salida de potencia
a través del pistón, la energía perdida en forma de calor que se transfiere al
refrigerante, la tasa de acumulación de energía en el cilindro durante el ciclo y el
flujo de energía que fluye a través de las válvulas de admisión y escape.
3.1.4 Área de entrada de datos o de selección de a cciones (D). En ésta área
inicialmente se carga la configuración de un motor previamente establecido,
posteriormente permite crear uno completamente nuevo con las características
deseadas o cargar una configuración previamente guardada. En el numeral 3.2 se
hará una descripción más detallada de ésta área.
3.1.5 Botón de confirmación. Por medio de este botón se irá avanzando en
cada una de las etapas, tanto de la ejecución del programa, como de las
diferentes configuraciones de motores que se realicen.
3.2. INSERCIÓN DE DATOS (MENÚ RUN SETUP)
En ésta parte se describe el inicio del Programa, y las características que se
pueden modificar dentro del modelado (Figura 30):
Figura 30. Primera ventana al ejecutar ESP
Damos click en continuar para seguir adelante
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
Cuando se da clic en continuar aparece el siguiente mensaje (Figura 31):
Figura 31. Confirmación de ejecución de introducción
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
Si se hace clic en si (Yes), el Programa despliega una pequeña introducción del
Programa, al hacer clic en NO, el ESP automáticamente carga la configuración de
un motor preestablecida.
Luego de ésta parte, el Programa informa que se cargó una configuración
preestablecida llamada SETUP.ESS, como se muestra en la Figura 32.
SETUP.ESS es la configuración de un motor ideal establecida en el libro de
Lumley. Este motor es el Lumley`s XK21.
Figura 32. Ejecución de configuración predeterminada
Hacemos click para cargar SETUP.ESS
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
21 Para ver especificaciones de configuración referirse al numeral [4] de la bibliografía.
Una vez cargada la configuración del motor se activará la ventana de inserción de
datos y selección de acciones, igualmente, se activarán una columna de botones a
la derecha, que indica que ya se puede empezar a trabajar en el modelo. En esta
ventana se despliega lo siguiente, como se ve en la Figura 33:
Figura 33. Área de inserción y selección de datos
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
La función de la columna de botones es la siguiente en su respectivo orden:
• A. Corre con la configuración actual (Realiza la simulación)
• B. Carga otra configuración previamente realizada
• C. Crea una configuración nueva (parte de cero con todas las casillas
en blanco)
• D. Termina la ejecución del código.
Para entender mejor el manejo del Programa se utilizará la configuración
preestablecida (SETUP.ESS) del motor Lumley`s XK.
3.2.1 Despliegue gráfico del menú de acciones ( Run Setup). Al expandir el
botón “Run Setup” de la configuración del motor aparecen los principales
parámetros de modelado del simulador (Figura 34):
Figura 34. Menú “Run Setup”
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
3.2.1.1 Parámetros de operación ( Operating Parameters). Se refiere a las
condiciones de funcionamiento del motor tales como las RPM, la chispa, las
condiciones ambiente y en control de las válvulas, como se puede observar en la
Figura 35.
Figura 35. Submenú de parámetros de operación (Operating Parameters)
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
En la anterior figura se pueden ver cinco opciones posibles para modificar: las
revoluciones por minuto; ángulo de ignición respecto al TDC; condiciones
ambientales de presión de admisión, presión de escape y temperatura ambiente;
las condiciones de EGR (Exhaust Gas Recirculation) que se explica más adelante
y, finalmente, el control del tiempo de válvulas.
Algunos términos interesantes al trabajar en esta parte son:
• TDC: Punto muerto superior (Top Dead Center)
• BDC: Punto muerto inferior (Bottom Dead Center)
• EGR: Recirculación del gas del escape hacia el múltiple de admisión
en porcentaje (Exhaust Gas Recirculation)
Para determinar la ignición de la chispa y los tiempos de las válvulas es importante
tener en cuenta el siguiente esquema (Figura 36), donde el grado cero de giro del
cigüeñal se produce al final del proceso de compresión.
Figura 36. Esquema de grados de giro del cigüeñal
3.2.1.2 Geometría del motor ( Engine Geometry). Aquí se puede configurar el
movimiento de las válvulas relativo al la posición del cigüeñal22. Las áreas
22 EL control de movimiento de las válvulas se puede realizar utilizando la utilidad complementaria ESPCAM.
máximas de flujo de las válvulas, además el diámetro del pistón, carrera, relación
de compresión y longitud de la biela como se ve en la Figura 37.
Los Programas de las válvulas de admisión y escape siguen un Programa coseno
que el ESP configura de acuerdo a los grados de apertura y cierre que determine
el usuario.
Figura 37. Submenú de geometría del motor (Engine Geometry)
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
3.2.1.3. Parámetros del modelo ( Model Parameters). Aquí se pueden modificar
todos los parámetros referentes a las características del fluido de trabajo, el
modelo de transferencia de calor, tipo de flujo y múltiples de admisión y escape
(Figura 38). Además trae opciones para estudiar factores como modelos de
propagación de la llama, la velocidad del frente de llama y geometría de la llama
(cilíndrica o esférica).
Para una mejor compresión de estos parámetros, referirse al capítulo 2 de este
trabajo o ver el Cáp. 8. de Lumley23.
Figura 38. Submenú de parámetros del modelo (Model Parameters)
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
3.2.1.4 Guardar la configuración ( Setup File Save Option). Permite guardar la
configuración ya vista, sus modificaciones o bien una configuración totalmente
nueva en un archivo con extensión EES para ser utilizada en otro momento
(Figura 39).
23 LUMLEY, Op. cit., p. 24.
Figura 39. Submenú de guardado de configuración (Setup File Save Option)
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
3.3 EJECUCIÓN DE ACCIONES
Luego de haber configurado las opciones y parámetros del modelo, la
configuración se puede llevar a simulación para así chequear convergencia y
obtener las gráficas que sean necesarias proporcionadas por el ESP. Para esto
se hace clic en el botón “Run with this Setup” para correr la configuración.
Cuando el ESP termina de hacer la simulación, se despliega en reemplazo de la
ventana de correr configuración (Run Setup), una nueva ventana de tareas de
ejecución (Run Task Option), que se aprecia en la Figura 40.
Figura 40. Ventana de tareas de ejecución (Run Task Option)
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
En esta ventana se puede generar un archivo con los parámetros del modelo,
correr la configuración por un número determinado de ciclos hasta chequear la
convergencia o crear gráficos de temperatura, masas, rangos de flujos, presiones,
rangos de energías y velocidades para un solo ciclo. En la Figura 41 se puede ver
una de las posibles gráficas que se pueden obtener con el ESP.
Figura 41. Gráfica de presiones obtenida con el ESP
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
Dependiendo de las casillas de verificación que se activen, se generan archivos de
MATLAB, que se pueden traer al ESP accionando el botón de la barra de
herramientas “Displays Matlab-Style Plot”, mostrado en la Figura 42.
Figura 42. Botón de despliegue de gráficas
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
Después de ejecutar la simulación, se activarán otras opciones dentro de la
ventana de tareas de ejecución como se ve en la Figura 43.
Figura 43. Opciones adicionales de ejecución de tareas
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
Entre las nuevas opciones que aparecen en la ventana esta la posibilidad de crear
un diagrama de Presión-Volumen (Plot Output from Last Cycle) mostrado en la
Figura 44, desplegar los datos de desempeño del último ciclo simulado (Display
Performance Data for Last Cycle) mostrado en la Figura 37 y finalmente la opción
de escribir los datos del último ciclo en un archivo de extensión ESR con la opción
(Write Last Cycle Data to).
Figura 44. Ejemplo de diagrama indicador P-V
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
Figura 45. Despliegue de datos de desempeño del último ciclo
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
De esta forma se puede empezar a utilizar el Programa, explorar las distintas
posibilidades que ofrece y aplicarlo a tareas o aplicaciones específicas.
4. APLICACIONES DISEÑADAS PARA RESOLVER CON EL ESP .
En éste capítulo se describen las aplicaciones que se han desarrollado tomando
como guía el microcurriculum de la materia Máquinas de Combustión Interna…ver
Anexo 1…como forma de complementar los fundamentos teóricos vistos en clase
y de integrar esta teoría con situaciones reales y técnicas actuales, aplicadas en el
desarrollo de los motores.
Cada aplicación se implementará en un módulo individual, cada uno de los cuales
corresponde a unos o varios capítulos del Programa de Máquinas de Combustión
interna.
4.1 FORMULACIÓN Y METODOLOGÍA DE LOS MÓDULOS DE SI MULACIÓN
Los módulos prácticos han sido desarrollados de forma tal que se introduzcan
gradualmente los conceptos vistos en clase sobre la teoría de motores, haciendo
de ellos objetos de análisis que permitan al estudiante explorarlos y además darle
la posibilidad de aplicarlos con datos diferentes a los sugeridos en la guía.
A continuación se presenta la metodología adoptada en este trabajo basada en un
modelo educativo expuesto por Galvís24, donde se utiliza la herramienta
computacional como forma de enriquecer el ambiente enseñanza-aprendizaje,
aprovechando su potencial para crear ambientes interactivos que permitan al
estudiante a través de experiencias, entender los fenómenos de interés.
24 GALVÍS PANQUEVA, Álvaro H. Ingeniería de software educativo. Ediciones Uniandes, Colombia. 1994.
El computador permite recrear situaciones que el estudiante puede manipular a
voluntad, basado en la premisa ‘’que pasa si’’, siguiendo sus propios patrones de
pensamiento. A partir de esto, se ha diseñando una metodología que en un
principio tendrá un enfoque algorítmico y que se irá convirtiendo en la base para
terminar con un enfoque heurístico.
El ESP se utiliza como un material educativo computarizado (MEC), con enfoque
algorítmico-heurístico con dos funciones educativas básicas. La primera como
sistema de ejercitación y práctica, reforzando la aplicación de conceptos y retro
información con previa adquisición de bases fundamentales, y la segunda como
sistema de simulación, afianzando lo aprendido a través de una variedad de
situaciones recreadas, abriendo la posibilidad de que el estudiante se convierta en
actor y fuente de aprendizaje a partir de su propia experiencia.
El uso de la herramienta de simulación y la aplicación de conceptos, consta de
varias etapas y cada una de ellas persigue un objetivo relacionado con el uso del
simulador en sí y también con el estudio del contenido de la materia. Las etapas
propuestas son:
• Introducción: aquí se presenta una breve descripción del motivo de la
práctica.
• Base teórica del modelo: es esta etapa se debe alcanzar un dominio de la
teoría fundamental necesaria.
• Características y exploración del ambiente de trabajo: etapa donde se
busca aprender a introducir los datos al simulador y hacer una interacción
básica con él.
• Especificación de entradas y salidas: en esta etapa se busca estudiar la
forma de obtener los resultados del simulador respecto al modelo a tratar.
• Información avanzada: esta última etapa pretende explorar opciones
avanzadas donde el estudiante utilice ejemplos y visualice situaciones
diferentes a las propuestas.
• Análisis de resultados: en esta etapa se trata de realizar comparativos,
observaciones y obtener conclusiones de cada uno de los casos simulados.
4.2 ESTRUCTURA Y LISTADO DE MÓDULOS
En la siguiente tabla se muestran los temas y su correspondiente título para los
módulos propuestos.
Tabla 2. Listado de Módulos
APLICACIONES USO DEL ESP
TÍTULO TEMA
Módulo 1
Aspectos de Operación Básicos del Programa, Simulación a
Distintas Frecuencias y Creación de Gráficas.
Introducción al
ESP
Módulo 2
Los Combustibles y sus Reacciones Químicas. Comparación
entre Gas Natural Vehicular y Gasolina.
Los Combustibles
y sus Reacciones
Químicas
Módulo 3
Aspiración Natural, Variación de presión Atmosférica y
Sobrealimentación.
Proceso de
Llenado
Módulo 4
Relación de Compresión y Variables Geométricas de un Motor
Proceso de
Compresión
a Gasolina.
Módulo 5
Factores que Afectan el Proceso de Combustión en los
Motores a Gasolina.
Proceso de
Combustión
Módulo 6
Recirculación de Gases de Escape (EGR).
Proceso de
Expansión
Cada aplicación se encuentra integrada por:
• Introducción
• Aspectos teóricos
• Objetivos
• Procedimiento
• Análisis de resultados
Previo al inicio de cada aplicación, el estudiante debe conocer el objeto de estudio,
basado en los conocimientos impartidos en clase por el profesor, complementando
con una lectura preliminar de los aspectos teóricos del tema. Después de iniciar la
práctica y a lo largo del procedimiento se generarán interrogantes que servirán de
ayuda en el análisis de la simulación. De igual forma, al finalizar la práctica, se
propondrán preguntas encaminadas a que los estudiantes obtengan sus propias
conclusiones.
4.3 DESARROLLO DE MÓDULOS
A continuación, se presenta el listado de módulos con sus partes
correspondientes. Igualmente, cada aplicación Incluye gráficos que ayudan al
usuario a visualizar las partes más importantes del ejercicio que se realiza.
4.3.1 MÓDULO 1: Introducción al ESP. Aspectos de Operación Básicos
del Programa, Simulación a Distintas RPM y Creación de Gráficas
4.3.1.1 Introducción. El ESP es una aplicación desarrollada con el propósito de
simular el desempeño termodinámico de un motor de combustión interna y
analizar los resultados en forma de gráficas y datos de funcionamiento. El
Programa genera gráficas de temperaturas, presiones, flujos de energía,
diagramas indicados P-V entre otros, que permiten un análisis adecuado. A su
vez, el Programa trae múltiples opciones y configuraciones predeterminadas de
motores que permite analizar casos muy particulares.
El ESP ofrece diversas opciones modificables por el usuario, de forma tal que se
puedan obtener modelos precisos con las características determinadas. Éstas
opciones están divididas en tres grupos: parámetros de operación, geometría y
parámetros del modelo.
Los parámetros de operación permiten establecer las condiciones generales de
operación del motor, como las condiciones ambientales, la velocidad de giro
(RPM), tiempo de ignición y control individual de válvulas (respecto al giro del
cigüeñal). La geometría del modelo permite establecer las dimensiones del
mecanismo biela-manivela, el diámetro del pistón y la carrera (dimensiones de la
cámara), el perfil de las levas de válvulas (control de válvulas) mediante la
herramienta complementaria ESPCAM, la relación de compresión y las áreas de
flujo de las válvulas.
En el grupo de parámetros del modelo, el ESP admite hacer arreglos en las
propiedades del gas, permitiendo establecer distintas condiciones de reacción
como cantidades de reactivos y productos, además se puede trabajar con distintos
combustibles. Permite variar los coeficientes de descarga de las válvulas, cambiar
los parámetros de los modelos de transferencia de calor y turbulencia, cambiar
parámetros de propagación de la llama, eficiencia de combustión y permite
trabajar el modelo con o sin múltiples de admisión o escape.
4.3.1.2 Objetivos
• Distinguir cómo cambiar las configuraciones básicas de motores
predeterminados.
• Tomar la configuración de un motor predeterminado y aprender el
procedimiento para observar su desempeño trabajando a distintas
velocidades (rpm)
• Aprender a obtener las gráficas de desempeño respectivas y datos de
funcionamiento.
4.3.1.3 Aspectos Teóricos. En el siguiente ejercicio se hará la simulación de un
motor a diferentes velocidades de rotación (RPM), la obtención de sus respectivas
gráficas y lo que ello conlleva. Es bueno saber que el ESP simula
termodinámicamente un solo cilindro del motor, pero incluyendo gran cantidad de
variables que permiten hacer un análisis muy aproximado a lo real.
En un comienzo aparecerán dos áreas divididas horizontalmente. El área inferior,
es el área de entrada de datos o de selección de acciones (Data Input and Action
Selection Area) como se aprecia en la Figura 46.
Figura 46. Ventana de ejecución (Run Setup)
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
Esta área inicialmente tiene una configuración preestablecida (Run Setup) que
contiene a su vez parámetros de operación (Operating Parameters), geometría del
motor (Engine Geometry), parámetros del modelo (Model Parameters) y opción de
guardado (Setup File Save Option). Al desplegar la opción de parámetros de
operación, aparecerán otras cuatro opciones que son “Revolutions per Minute” que
permite cambiar la frecuencia de giro del motor, “Firing” que determina los grados
de giro del cigüeñal (comenzando desde el punto muerto superior o TDC) a los
que ocurre la ignición, “Ambient Conditions” que modifica las condiciones
ambientales, “EGR” que determina el porcentaje de recirculación de gas de
escape y “Valve Control” que determina la apertura y cierre de válvulas.
El ESP además posee opciones para trabajar con diferentes configuraciones, ya
sean predeterminadas o modificaciones personalizadas de usuario. Éstas
opciones se encuentran disponibles a la derecha del cuadro de inserción y
selección de datos…véase Figura 33…con los botones “Run with this Setup” que
corre la configuración cargada con la ejecución del ESP (Lumley´s XK); la opción
“Use Another File Setup” que permite escoger otras configuraciones
predeterminadas o guardadas por el usuario y el botón “Create Totally New Setup”
que resetea las opciones para que el usuario introduzca las personalizadas.
Después de correr la configuración establecida, en el área de inserción o selección
de datos se abre un cuadro reemplazando el de “Run Setup” llamado “Run Task
Option” (Figura 47) que a su vez contiene tres opciones: la de escribir los
parámetros del modelo a un archivo (Write Model Parameters to:), correr un
número de ciclos para chequear la convergencia del modelo (Run X Cycles to
Check Convergence) y una última opción de correr el ciclo (Run One Cycle and
Plot Variables) y graficar variables como temperaturas (Temperature), masas
(Mases), rangos de flujos (Flow Rates), presiones (Pressures), rangos de energía
(Energy Rates) y velocidades (Velocities) en archivos de MatLab.
Ejecutando la tarea con el botón “Execute Selected Run Task”, aparecen dos
nuevas opciones en la lista para mostrar un diagrama indicador Presión-Volumen
(Plot Output from Last Cycle) y para mostrar datos de desempeño con la opción
“Display Performance Data for Last Cycle”. Estas dos últimas opciones se utilizan
con mayor frecuencia cuando se ha seleccionado anteriormente correr un número
de ciclos para chequear la convergencia.
Figura 47. Ventana de utilidades de ejecución (Run Task Option)
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
4.3.1.4 Procedimiento.
• Ejecute el ESP y espere a que cargue. Mantenga la configuración inicial
con el motor Lumley´s XK sin cambios. Más adelante puede hacer el
ejercicio cambiando por otras configuraciones.
• Ahora en el área de introducción de datos “Run Setup”, abra el cuadro de
parámetros de operación (Operating Parameters) y abra el cuadro
correspondiente a la frecuencia angular (Revolutions per Minute), como se
ve en la Figura 48. Modifique el valor de la frecuencia para trabajar primero
con 900 rpm, luego con 2500 rpm y finalmente con 4000 rpm.
Figura 48. Ventana de parámetros de operación (Operating Parameters).
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
• Corra la configuración con el botón “Run with this Setup” y guarde los
gráficos correspondientes a temperaturas, masas, rangos de flujo,
presiones, flujos de energía y velocidades (Figura 49) de la siguiente forma:
� Seleccione la opción “Run One Cycle and Plot Variables”
� Active las casillas correspondientes a las gráficas deseadas
� Cambie su nombre sin dejar espacios, escriba extensión M y
presione Enter.
Figura 49. Ventana de opciones de ejecución (Run Task Options)
Asegúrese que no existan espacios en el nombre y finalicen con extensión .M
Verifique la ubicación (carpeta) en la cual guardara los archivos
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
• Presione “Execute Selected Run Task” para correr la configuración.
Al seguir el procedimiento se obtendrán gráficas como las siguientes:
Figura 50. Ejemplo gráfica de Flujo Energía generada en el ESP para 2500 rpm.
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
• Después de esta primera ejecución en el cuadro “Run Task Option”,
aparecerán dos nuevas opciones (Figura 51), active la casilla
correspondiente al desempeño del ciclo (Display Data Performance for Last
Cycle) y presione “Execute Selected Run Task” para obtener los datos.
• Repita este último paso para obtener el diagrama indicador Presión-
Volumen activando la casilla “Plot Output From Last Cycle”, asignando un
nombre con extensión MatLab (Nombre.M), como se ve en la Figura 51.
Figura 51. Ventana de opciones de ejecución (Run Task Options)
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
• Después de escribir las gráficas, cárguelas en pantalla presionando el
botón del extremo derecho de la barra de herramientas en la parte superior
(Figura 52), al apuntar sobre el aparecerá “Displays MatLab-Style Plot”.
Puede cargar cualquiera de los gráficos generados anteriormente como se
ve en la figura 53, la cual muestra el gráfico obtenido para el diagrama
Presión – Volumen a 2400 rpm.
Figura 52. Selección gráficos.
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
Figura 53. Despliegue de gráficas.
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
Este mismo procedimiento se debe hacer para obtener los gráficos de desempeño
a 2500 y 4000 rpm.
4.3.1.5 Análisis de resultados. Para cada gráfica obtenida de la simulación a
diferentes velocidades de giro del motor, se pueden observar diferentes
comportamientos del motor, a continuación se proponen varios aspectos a analizar
con el fin de entender los procesos.
• Realizar un análisis ciclo por ciclo del motor teniendo como guía la gráfica
de flujos de energía para una velocidad de giro de 900 rpm.
• Comparar la gráfica anterior con el motor girando a 2500 y 4000 rpm.
• Realizar los dos pasos anteriores para las gráficas de presión.
• Obtener conclusiones para cada caso.
4.3.2 MÓDULO 2: Combustibles y sus Reacciones Quím icas.
Comparación entre Gas Natural Vehicular y Gasolina.
4.3.2.1 Introducción. Los combustibles utilizados en los motores de combustión
interna proporcionan la energía química necesaria para la combustión y aumento
de presión entre la cámara de combustión. De su correcta mezcla con el aire
dependen las emisiones de un motor, aspecto de considerable cuidado con los
nuevos tratados internacionales sobre el medio ambiente, que han puesto a los
diseñadores en la necesidad de buscar combustibles diferentes, que tengan igual
o mejor desempeño cumpliendo con los estándares internacionales.
4.3.2.2 Objetivos
• Conocer sobre los diferentes tipos de combustibles empleados en los
motores de combustión interna, sus ventajas y desventajas.
• Mediante el ESP y su herramienta ESPJAN (StanJan), hacer un
comparativo de desempeño entre un motor de combustión interna
funcionando con gasolina, contra uno similar funcionando con gas natural
vehicular.
4.3.2.3 Aspectos Teóricos. La mayoría de combustibles se clasifican en tres
categorías: carbón mineral, proveniente de materia orgánica vegetal sometida a
altas presiones y descomposición por millones de años y los hidrocarburos
líquidos y gaseosos, que se obtienen en yacimientos de petróleo crudo con
procesos de destilación. Estos combustibles están en su mayoría formados por la
combinación de muchos hidrocarburos, como los que se muestran en la Tabla 3.
Tabla 3. Miembros de la familia de las parafinas y sus propiedades
EDWARD F. OBERT. Motores de Combustión Interna. Análisis y Aplicaciones
En nuestro caso particular, interesan los hidrocarburos líquidos, como son la
gasolina y los gaseosos como el gas natural. Para los análisis de combustión se
expresan los combustibles en forma de un solo hidrocarburo. Así la gasolina se
identifica como octano ( 8 18C H ) y el gas natural como metano ( 4CH ). Los
componentes principales de algunos componentes de la gasolina y de algunos
combustibles gaseosos se encuentran en las Tablas 4 y 5.
Tabla 4. Análisis de combustibles gaseosos
EDWARD F. OBERT. Motores de Combustión Interna. Análisis y Aplicaciones
Tabla 5. Características de la gasolina
EDWARD F. OBERT. Motores de Combustión Interna. Análisis y Aplicaciones
El proceso de combustión consiste en la oxidación de los constituyentes del
combustible que pueden ser oxidados y se representa en una ecuación química
(esto teniendo en cuenta sólo el equilibrio químico estequiométrico como
referencia de transformación de mezcla no quemada y mezcla quemada,
despreciando la velocidad cambiante que pueda tener la reacción a medida que
varía la concentración de reactivos). Los compuestos hidrocarbonados reaccionan
oxidándose, tanto el carbono como el hidrógeno. En el motor de combustión
interna, el oxígeno necesario para la oxidación se introduce a través de aire,
compuesto principalmente por Oxígeno (21%) y Nitrógeno (79%) en volumen,
entonces se llega a la conclusión que para cada mol de Oxígeno, intervienen 3.76
moles de Nitrógeno. Por esto para la combustión de gas natural se tendría:
4 2 2 2 2 22( 3.76 ) 2 7.52CH O N CO H O N+ + → + +
Ya la reacción general se escribe de la siguiente forma:
2 2 2 22 2 2 2 2( 3.76 )x y O CO H O NC H V O N V CO V H O V N+ + → + +
Donde los coeficientes se llaman coeficientes estequiométricos. El balance
permite obtener la cantidad de aire teórico como:
2
2
2 2
2 2 2
2
2
:
: 2
: 3.76*
: / 2 / 4
CO
H O
N O
o CO H O
C V x
H V y
N V V
O V V V x y
=
=
=
= + = +
Y el número total de moles de aire para una mol de combustible es:
2*4.76 4.76( / 4)aire OV x yη = = +
Este aire es el 100% de aire teórico, pero la combustión real necesita algo más de
aire. Dos parámetros importantes para relacionar el aire y el combustible son las
relaciones AC (aire-combustible) y su recíproco (CA).
aire airemasa moles
comb comb
aire aire aire airemasa moles
comb comb comb comb
m nAC AC
m n
m n M MAC AC
m n M M
= =
= = = =
El exceso o carencia de aire que se suministra se expresa en porcentaje de aire
teórico. Si el aire que se suministra es menor que el teórico, el oxígeno no será
suficiente para producir bióxido sino solo monóxido de carbono. Y si el aire es
muy carente, habrá hidrocarburos sin reaccionar en los productos.
4.3.2.4 Procedimiento.
• Seleccione los combustibles a comparar. En este caso se utilizará gas
natural ( 4CH ) y heptano, un hidrocarburo semejante a la gasolina (C7H16).
• Según cada combustible, obtenga los coeficientes estequiométricos y
determine los reactivos y los productos basándose en la ecuación general
de combustión de hidrocarburos.
• Ejecute la aplicación complementaria del ESP, ESPJAN. Espere a que
cargue completamente y en el área de introducción de datos (Data Input
Area), siga los pasos para:
� Seleccionar los reactivos correspondientes a la combustión
indicando su casilla de verificación en el cuadro “Select
Reactant Species” (Figura 54)
Figura 54. Ventana de selección de reactivos
Seleccione las casillas de los rectivos
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
� Accione el botón “Proced to Fuel Identification”, para
seleccionar las especies combustibles en el cuadro “Identify
Fuel Species”, indicando la respectiva casilla de verificación
(Figura 55).
Figura 55. Ventana de identificación del combustible
Seleccione las sustancias que reaccionan
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
� Accione el botón “Proced to Reactant Moles specification”,
para especificar el número de moles de los reactivos según la
teoría en el cuadro “Set Reactant Moles”. Recuerde que al
introducir los valores debe presionar Enter (Figura 56).
Figura 56. Ventana de especificación de número de moles
Ingrese el número de moles según la reacción antes calculada
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
� Accione el botón “Proced to Product Species Selection”, para
seleccionar los productos de combustión correspondientes en
el cuadro “Select Product Especies” activando las casillas de
verificación (Figura 57).
Figura 57. Ventana de selección de productos
Seleccione los productos según la reacción antes calculada
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
� Proceda a dar los parámetros finales accionando “Proceed to
Final Data Input” y en el cuadro “Final Data” introduzca la
presión de evaluación de las propiedades y el nombre del
archivo .ESJ que contendrá la información. Seguido de esto,
en ‘’Print File’’ puede generar un archivo .OUT o simplemente
no generar nada. (Figura 58).
Figura 58. Ventana de especificación de condiciones de reacción
Coloque el nombre de archivo que luego que se utilizara en el ESP.
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
� Ahora presione el botón “Calculate the Properties”.
• Ejecute el ESP. Mantenga la configuración del motor Lumley`s XK. Vaya a
‘’Model Parameters’’ y en el área de propiedades del gas (Gas Properties),
cargue el archivo que se generó en el ESPJAN (Figura 59). Después de
esto haga clic en OK.
Figura 59. Ventana de selección de propiedades del gas
Seleccione el archivo que generó en el ESPJAN
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
• Corra la configuración con el botón “Run with this Setup”
• Genere las gráficas de temperatura, presión, flujo de energía y el diagrama
P-V siguiendo el procedimiento especificado en el Módulo 1.
Este mismo procedimiento debe hacerse para obtener los datos de desempeño
utilizando como combustible la gasolina. (Debido a que el ESPJAN no contiene en
sus combustibles predeterminados el octano C8H18, se puede utilizar un
hidrocarburo similar, heptano C7H16).
La generación de gráficas arrojará comportamientos como los siguientes:
Figura 60. Ejemplos de gráficas obtenidas con el ESP. Diagrama P-V y
temperaturas de ciclo para Gas Natural.
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
4.3.2.5 Análisis de resultados. Luego de haber obtenido las gráficas para el
funcionamiento con metano y con heptano, realice los siguientes comparativos:
• Compare las gráficas de presión, temperatura y flujo de energía obtenidas
para ambos casos y de sus conclusiones.
� ¿A qué se debe la diferencia de presión?
� ¿Qué diferencias encuentra entre las temperaturas pico de
ambos combustibles? ¿Cómo creé que se ve reflejado en la
práctica?
� ¿A qué se debe la diferencia en la salida de potencia,
tomando como referencia el gráfico de flujo de energías?
• Compare los diagramas P-V y apoyado en las gráficas anteriores cómo se
ven reflejadas las diferencias en el rendimiento global del motor.
4.3.3 MÓDULO 3: Proceso de LLenado. Aspiración Na tural, Variación de
Presión Atmosférica y Sobrealimentación .
4.3.3.1 Introducción. El proceso de llenado comprende la admisión a la cámara
de combustión de los reactivos necesarios para la combustión, tales como el aire y
el combustible. Las partes que componen el sistema de admisión, como son el
filtro de aire, conductos, sistema dosificador de combustible, múltiple y válvula de
admisión, se diseñan con el objetivo que la cantidad de mezcla que entra al
cilindro sea la mayor posible. Con esto en mente, los motores se han modificado
para concretar ésto con distintas técnicas.
4.3.3.2 Objetivos
• Conceptuar sobre la composición de los sistemas de admisión y
alimentación de aire-combustible en los motores de combustión interna de
encendido por chispa.
• Contemplar las diferencias de funcionamiento y desempeño de un motor
trabajando a diferentes condiciones atmosféricas.
• Hacer un comparativo entre aspectos positivos y negativos del
funcionamiento de un motor con aspiración natural y sobrealimentación
utilizando el ESP.
4.3.3.3 Aspectos Teóricos. El ciclo de trabajo de un motor, se inicia con la
admisión de la mezcla fresca o del aire fresco a los cilindros. La admisión de aire
a los cilindros puede realizarse utilizando sólo la carrera de descenso de los
pistones en los motores llamados atmosféricos, o también utilizando la
sobrealimentación. Esta última puede realizarse utilizando la energía remanente
de los gases de escape para mover una turbina, la que a su vez mueve el rotor de
un compresor centrífugo; o utilizando cualquier otro tipo de soplador, accionado
por el cigüeñal o incluso por un motor eléctrico. En el esquema de las Figuras 61
y 62 se presenta la forma como se pierde la presión a medida que la mezcla aire-
combustible pasa por el pasaje de admisión hasta el cilindro.
El proceso de llenado incluye la expulsión de los gases quemados y el llenado con
mezcla (carga) fresca. Según Romero, este proceso se caracteriza por los
siguientes parámetros principales: presión y temperatura de la carga al final del
proceso de llenado – comienzo de la compresión (PA y DA); presión y temperatura
de los gases residuales (PR y AR); el coeficiente de gases residuales (γr); el
coeficiente de llenado (ηv).
La presión de la carga al comienzo de la compresión PA (MPa) se calcula por la
fórmula:
62
10.2
−−= kad
nka
wKpp ρ
Donde pk es la presión del aire en la admisión (MPa); si no se tiene
sobrealimentación pk=po y ρo; Kn es el coeficiente que tiene en cuenta el
amortiguamiento de la velocidad de movimiento de la carga y la resistencia
(pérdidas) del sistema de admisión y ρk es la densidad de la carga en la admisión,
kg/m3.
610..8314
96.28.
k
kk
T
p=ρ
Tk –temperatura de la carga en la admisión, K (si no hay sobrealimentación Tk =
To; To es la temperatura del medio circundante):
;
1
0
´
p
n
n
kkok T
p
PpTT
k
k
∆−
∆+=
−
Donde ∆Pk´ son las pérdidas de presión en el enfriador del aire (MPa); ∆Tp es la
variación de la temperatura de carga al enfriarse en el posenfriador, K; nk es el
exponente politrópico de compresión de la carga en el compresor (soplador).
Orientativamente en los motores de cuatro tiempos sin sobrealimentación ρa=
(0,85...0,9) ρo; en los de cuatro tiempos con sobrealimentación ρa = (0,9...0,96) ρk.
El coeficiente de gases residuales γr caracteriza la calidad de limpieza del cilindro
de los productos de combustión y se determina como:
ra
r
r
Kr
pp
p
T
TT
−⋅∆+=
εγ
Donde Pr y Tr son correspondientemente la presión (MPa) y temperatura (K) de los
gases residuales; ε es la relación de compresión; ∆T es el grado de calentamiento
de la carga desde las paredes de los cilindros, K. Los valores orientativos del
coeficiente de gases residuales γr para motores a gasolina de cuatro tiempos esta
entre 0,02-0,12.
La temperatura de la carga al final del proceso de llenado, Ta se calcula por la
fórmula:
r
rrKa
TTTT
γγ
++∆+=
1
.
Los valores orientativos de Ta se encuentran en los límites: para MCI de
carburador de cuatro tiempos sin sobrealimentación –310...390K; MCI Diesel de
cuatro tiempos sin sobrealimentación –31...350 K, con sobrealimentación (sin
enfriamiento intermedio) –320...400K.
El coeficiente de llenado ηv caracteriza el grado de perfección del proceso de
llenado y depende de una serie de parámetros constructivos y de regímenes del
motor. Su fórmula es:
)1(1 ra
K
k
av
T
T
p
p
γεεη
+−=
El coeficiente de llenado para los MCI durante su régimen de trabajo nominal
generalmente se encuentra en los límites 0,75...0,85 para los motores de
carburador y 0,8...0,9 para los Diesel25.
25 ROMERO, Op. cit., p. 10.
Figura 61. Variación de la presión a lo largo del pasaje de admisión para un motor
atmosférico con formación externa de la mezcla. Motor a gasolina; a. sistema de
admisión y diagrama de presiones a lo largo de este; b. Diagrama indicado y fases
de la distribución de los gases; c. Sistema de escape con silenciador de ruido; d.
Curvas de las alzadas de las válvulas hv y de la presión del cilindro P en función
del ánguloϕ.
CARLOS A. ROMERO. Motores de combustión: Fundamentos de construcción y cálculo
Figura 62. Motor Diesel, a. Esquema del motor sobrealimentado por
turbocompresor; b. Diagrama indicado del proceso del proceso de intercambio y
las fases de la distribución de los gases; I-compresor; II-turbina de gas.
CARLOS A. ROMERO. Motores de combustión: Fundamentos de construcción y cálculo
4.3.3.4 Procedimiento.
• Ejecute el ESP. Cargue la configuración del motor Lumley`s XK.
• Mantenga la configuración inicial sin cambios.
• Ahora en el área de propiedades del gas (Gas Properties) de parámetros
del modelo (Model Parameters), abra el cuadro “Ambient Conditions” y
especifique las condiciones ambientales de Pereira introduciendo la
información correspondiente y presionando Enter (Figura 63).
Figura 63. Ventana de condiciones ambientales del modelo
Cambie las condiciones ambiente para Pereira
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• Corra la configuración con el botón “Run with this Setup” y guarde los
gráficos correspondientes a temperaturas, presiones, flujos de energía y
diagrama P-V.
• Ahora en el cuadro “Run Task Option”, active la casilla correspondiente al
desempeño del ciclo (Display Data Performance for Last Cycle) y presione
“Execute Selected Run Task” para correr la configuración (Figura 64).
Apunte los datos. Puede hacerlo manualmente o utilizando la herramienta
Notepad del ESP.
Figura 64. Ventana de datos de desempeño de ciclo
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
Repita el procedimiento anterior para simular y obtener datos del motor cargado
con:
� Las condiciones ambientales de Bogotá (74,5 Kpa, 15 ºC).
� Las condiciones ambientales de Barranquilla (101.325 kPa,
30ºC).
� Las condiciones de trabajo de un motor sobrealimentado con
un compresor de lóbulos que produce una presión de 8 psia
en la admisión para las condiciones de Bogotá.
4.3.3.5 Análisis de resultados. Una vez obtenidas las diferentes gráficas y
datos de desempeño para las distintas condiciones atmosféricas y
sobrealimentación, realizar:
� ¿A qué se debe la diferencia de potencia entregada el pistón
para los cuatro casos?
� Compare el trabajo por desplazamiento para cada caso.
� Compare el consumo específico de combustible para cada
caso.
� Según el comportamiento simulado anteriormente qué
conclusiones obtiene de los cambios en las condiciones
ambientes y de admisión.
� ¿Qué soluciones se pueden aplicar para los casos en los que
las condiciones ambientes afecten el rendimiento del motor?
4.3.4 MÓDULO 4: Proceso de Compresión. Relación d e Compresión y
Variables Geométricas de un Motor a Gasolina.
4.3.4.1 Introducción. El proceso de compresión está modificado y depende de
varios factores tales como la forma de la cámara de combustión, el golpeteo y la
turbulencia. Con esto en mente se diseñan los motores teniendo en cuenta:
• La más alta presión posible al comienzo de la expansión, sin interferir sobre
la carrera de compresión.
• Eliminación de las sacudidas.
• Ausencia de golpeteo
• No debe haber restricción sobre el proceso de llenado, impuesta por la
cámara.
• Pérdidas de calor pequeñas.
Un parámetro importante de diseño es el de la relación de compresión, que define
la relación geométrica de la cámara de combustión, y que determina varios
factores importantes acabados de mencionar. Su cálculo y consecuencias de
modificación se pretenden aclarar con esta práctica.
4.3.4.2 Objetivos
• Conceptuar sobre el proceso de compresión de los motores a gasolina y las
variables que lo afectan, tales como la relación de compresión.
• Analizar mediante el ESP cómo la variación de la geometría de la cámara
de combustión y de la biela, influyen en el proceso de compresión de los
motores a gasolina.
4.3.4.3 Aspectos Teóricos . La relación de compresión de un motor se obtiene
como el cociente de volúmenes entre el TDC y BDC. El volumen cuando el pistón
se encuentra en el BDC viene definido por el volumen que despeja el mismo
pistón al descender del TDC al BDC (es decir, el volumen de gases que entran en
el cilindro) más el volumen de la cámara de combustión en si. Y por otro lado el
volumen cuando el pistón se encuentra en el TDC viene definido por la cámara de
combustión nada más. Tomando estos datos la relación de compresión se define
como:
V VCRC
VC
+=
El volumen de gases absorbidos por el cilindro teniendo la carrera (z) y el diámetro
del cilindro en cuestión (B) se indica como el valor del volumen que desciende o
sube el pistón (cilindrada unitaria):
2V B zπ=
De esto se puede concluir que la relación de compresión es un parámetro
geométrico que por su naturaleza resulta muy difícil de variar en la realidad.
Los valores típicos de este valor en los motores gasolina rondan entre 8:1 a 12:1,
dependiendo de si es un motor sobrealimentado o atmosférico. En los diesel
estos valores son más altos, con un rango aproximado de 14:1 a 23:1.
Tener una relación de compresión alta o baja puede ser beneficioso o
contraproducente. Una relación elevada de compresión, a grandes rasgos,
brindará una mayor eficacia en el consumo de combustible, y por tanto un mayor
rendimiento térmico. Si se observa el ciclo teórico, el rendimiento térmico viene
definido por:
1
11
RCγη −= −
Donde RC es la relación de compresión y γ es el poder calorífico, cuyo valor para
el aire es 1,4.
Según esto, una relación de compresión alta seria más benéfica, pero cuando se
tiene una RC elevada, se aumenta la posibilidad del “picado de bielas” por
preignición de la mezcla antes de la situación ideal (antes del TDC) por exceso de
presión en la mezcla. Con lo cual se producen unas violentas fuerzas en dirección
contraria al movimiento natural del pistón que vienen acompañados de un sonido
de “cascabeleo”. El picado de bielas o Knocking, además de generar unas fuerzas
en contra del movimiento provoca fuertes esfuerzos torsionales en el cigüeñal que
incluso pueden finalizar en la rotura de la cabeza del pistón, muñones o de otros
elementos mecánicos. Estos inconvenientes se han controlado parcialmente
adelantando o retrasando el avance del encendido con detectores de detonación.
Los motores con relación de compresión baja no tienen estos inconvenientes,
permitiendo la sobrealimentación y el tener cargas máximas sin riesgo de
Knocking, ésto a costa de un más bajo rendimiento térmico del motor.
Ahora otro aspecto importante en el proceso de diseño que influye mucho en el
cálculo de la relación de compresión es el octanaje del combustible. El índice de
octano de la gasolina, indica la capacidad o facilidad de dicho combustible de
detonar, a mayor índice de octano, más difícil será hacerlo autodetonar. Entonces
en motores con alta relación de compresión, o motores con relación de
compresión relativamente baja muy sobrealimentados, será preferible recurrir a
combustibles de alto índice octano porque de lo contrario se producirá Knocking
con facilidad.
Es por ello que se debe conseguir un equilibrio a la hora de diseñar un motor,
según se requiera potencia (sin que aparezca el “picado”) o se precisen bajos
consumos y contaminantes.
4.3.4.4 Procedimiento.
• Ejecute el ESP. Cargue la configuración del motor Lumley`s XK. Mantenga
la configuración inicial sin cambios.
• Ahora en el área de introducción de datos “Run Setup”, abra el cuadro de
geometría del motor ‘’Engine Geometry’’ y abra el cuadro correspondiente a
las dimensiones del pistón/cilindro (Piston/Cilinder). Modifique el valor de la
casilla de relación de compresión (Volume Compression Ratio) como se
muestra en la Figura 65.
Figura 65. Ventana de Geometría del motor (Engine Geometry)
Cambie el valor de la relación de compresión
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• Corra la configuración con el botón “Run with this Setup” y guarde los
gráficos correspondientes a temperaturas, masas, ratas de flujo, presiones,
flujos de energía, velocidades y diagrama P-V.
• En el cuadro “Run Task Option”, active la casilla correspondiente al
desempeño del ciclo (Display Data Performance for Last Cycle) y presione
“Execute Selected Run Task” para correr la configuración. Guarde los
datos.
Figura 66. Ejemplo de gráfica obtenida con el ESP. Gráfica de Presiones y datos
de desempeño de ciclo una para relación de compresión de 8:1
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Repita el procedimiento para valores de compresión de:
� 10:1.
� 12:1.
4.3.4.5 Análisis de resultados. Una vez obtenidas las gráficas para cada una de
las relaciones de compresión, realizar:
� Compare y dé conclusiones de cada una de las gráficas para
los tres casos.
� Compare y de conclusiones de los datos de desempeño
obtenidos para cada uno de los casos.
� ¿Cómo cree que es el desempeño del motor para las
relaciones de compresión de 10:1 y 12:1 respecto a la de 8:1?
� ¿A qué cree que se debe el buen o mal desempeño del motor
visto en la pregunta anterior?
Observemos el desempeño del motor para la relación de compresión de 12:1, pero
cambiando la chispa a 719 después del TDC, para esto siga los siguientes pasos.
• Luego de haber realizado la configuración de motor para una relación de
compresión de 12:1. En el cuadro de ‘’Operating Parameters’’, active la
casilla ‘’Firing’’ y cambie los grados del cigüeñal al cual ocurre la chispa por
719 ver Figura 67.
Figura 67. Ventana de ángulo encendido de la mezcla (Firing)
Cambie el valor de la chispa
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• Corra la configuración con el botón “Run with this Setup” y guarde los
gráficos correspondientes a temperaturas, masas, retas de flujo, presiones,
flujos de energía, velocidades y diagrama P-V.
• En el cuadro “Run Task Option”, active la casilla correspondiente al
desempeño del ciclo (Display Data Performance for Last Cycle) y presione
“Execute Selected Run Task” para correr la configuración. Guarde los
datos.
Repita el análisis de resultados ya realizado para los datos de desempeño del
motor con una relación de 8:1, 10:1 y 12:1 con la chispa 719 grados después del
TDC.
� ¿Qué diferencias encuentra para los tres casos?
� ¿Qué conclusiones puede obtener del los desempeños del
motor?
4.3.5 MÓDULO 5. Proceso de Combustión. Factores que Afectan el Pro ceso
de Combustión en los Motores a Gasolina.
4.3.5.1 Introducción. Los cilindros y las partes móviles del motor desempeñan
un papel muy importante en el proceso de combustión. Su forma y configuración
permitirán que se presenten las condiciones más adecuadas para que el proceso
se lleve a cabo de una forma suave y uniforme sin interferir con los procesos
subsiguientes. Dos factores definitivos en el proceso, estrechamente relacionados
con los aspectos anteriores, son el de la producción de turbulencia y el control de
la detonación que producirán una combustión adecuada.
4.3.5.2 Objetivos
• Observar como el aumento o disminución de la turbulencia presente antes
del encendido puede influir en el proceso de combustión y el desempeño
final del motor.
• Comparar el desempeño del motor cambiando el tiempo de encendido de
valores recomendados, a otros definidos por el estudiante.
• Observar la influencia de colocar varias bujías en la cámara, con el
consecuente aumento de la fracción inicial de mezcla quemada.
4.3.5.3 Aspectos Teóricos. Los motores de combustión interna y en especial las
cámaras de combustión, se han diseñado con la finalidad de:
1. Obtener una gran turbulencia en la carrera de compresión con el objeto de:
• Aumentar la rapidez de la combustión.
• Asegurar una mezcla más homogénea, restregando los gases
estancados en las paredes de la cámara.
2. Reducir la detonación mediante:
• Disminución de la longitud efectiva del recorrido de la llama
(haciendo que el émbolo se acerque más a la cabeza)
• Ubicar la bujía o bujías en una región central para disminuir la
longitud del recorrido de la llama.
La turbulencia que se produce en el motor se distingue entre primaria y
secundaria. La primaria es la turbulencia que se produce en el proceso de
llenado, en la compresión y por la acción del atomizado. La secundaria se
produce por la propia naturaleza explosiva del proceso de combustión. Los
diseñadores se han concentrado en aumentar la turbulencia primaria. Dos
movimientos turbulentos que se pueden inducir en el cilindro en el proceso de
llenado son el “Swirl” o remolino y el “Tumble” o bote que se pueden ver en la
Figuras 68. Entre las razones más importantes en la inducción de estos
movimientos están que los altos niveles de turbulencia en la ignición producen
mejores velocidades de llama y mejor combustión en relaciones aire-combustible
pobre. Para relaciones aire combustible normales, permitirá que la llama alcance
todo el espacio de la cámara sin permitir que aparezca el autoencendido, por
consiguiente el Knocking y permitiendo a su vez relaciones de compresión más
altas. El “Swirl” y el “Tumble” se especifican por sus grados respectivos:
/ min2 2
S TSwirl TumbleR R N rev
N N
ω ωπ π
= = =
Estos grados se encuentran entre 1.0 y 2.0 para motores de producción.
Algunas modificaciones se han hecho para aumentar tanto el “Swirl” y el “Tumble”
en la admisión. Éstas se pueden ver en la Figura 68.
Otra forma de aumentar la turbulencia es el diseño de cámaras de turbulencia en
la cabeza del pistón y formas específicas de inyección. En la Figura 69 se pueden
ver varias configuraciones de inyector y cámaras de turbulencia.
La ignición es otro aspecto que afecta el proceso de combustión. Del tiempo de
ignición correcto de la mezcla dependen efectos distintos como el “Knocking” o
sobreesfuerzos en las partes del motor. La ignición ocurre unos 30 grados antes
de alcanzar el TDC para que cuando se alcance la presión pico en el cilindro (unos
20 a 25 grados después del TDC) el pistón se encuentre descendiendo. Si la
ignición es muy temprana, mucha de la fuerza se aplicaría sobre el pistón y la
biela, sin ninguna utilidad y con el riesgo de producir “Knocking”. Si la ignición es
tardía, se desperdiciará trabajo (la mayoría del trabajo útil se realiza en los
primeros 100 grados) y la energía se disiparía principalmente en forma de calor y
no de potencia.
Figura 68. Esquema de Swirl y Tumble
JOHN L. LUMLEY. Engines: An Introduction
Figura 69. Cámaras de turbulencia en motores de inyección directa, (a) basada en
remolino con inyección central, (b) basada en remolino con bujía central, (c)
basados en bote y (d) basados en el efecto de compresión.
JOHN L. LUMLEY. Engines: An Introduction
El último aspecto que se tratará será el de la ubicación de las bujías. Su ubicación
en el centro de la cámara, se debe a la reducción del recorrido del frente de llama.
Igualmente, la instalación de varias bujías producirá más frentes de llama,
haciendo que la combustión se lleve a cabo más rápidamente.
4.3.5.4 Procedimiento.
Primera Parte
• Ejecute el ESP. Cargue la configuración del motor Lumley`s XK. Mantenga
la configuración inicial sin cambios.
• En el área de parámetros del modelo (Model Parameters), modelo de
turbulencia (Turbulence Model), modifique el valor de factor de generación
de turbulencia durante la compresión (Factor in Turbulence Production
During Compression) a 0.005020, 0.01 y 0.1 como se ve en la Figura 70.
Figura 70. Ventana de modelo de turbulencia (Turbulence Model)
Cambie el valor de Fp para la compresión
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
• Corra la configuración con el botón “Run with this Setup” y guarde los
gráficos correspondientes a masas, ratas de flujo, flujos de energía,
velocidades y diagrama P-V, para cada uno de los valores de Fp.
• En el cuadro “Run Task Option”, active la casilla correspondiente al
desempeño del ciclo (Display Data Performance for Last Cycle) y presione
“Execute Selected Run Task” para correr la configuración. Guarde los
datos.
Figura 71. Ejemplo de gráfico generado por el ESP. Gráfica de flujos de masa de
ciclo para factor de producción de turbulencia (Fp) de 10%.
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
4.3.5.5 Análisis de resultados. Primera Parte. Una vez elaboradas las gráficas
y datos de desempeño para cada uno de los valores de Fp para la compresión:
� Compare los resultados obtenidos en cada gráfica con la
modificación del parámetro de turbulencia para los tres casos,
saque conclusiones.
� Compare los resultados obtenidos para los datos de
desempeño para los tres casos, saque conclusiones.
� ¿Cómo cree que se ve reflejado el incremento de los Fp para
la compresión en la velocidad del quemado?
� ¿Cómo es el desempeño del motor para cada uno de los
casos? ¿Es bueno o malo el desempeño para el Fp de 0.1?
¿Si es malo, cual cree que puede ser la solución para corregir
el desempeño?
Prestemos atención al desempeño del motor para el Fp para la compresión de 0.1,
pero cambiando la chispa a 719 después del TDC, para esto siga los siguientes
pasos.
• Luego de haber realizado la configuración del Fp de 0.1 para la compresión.
En el cuadro de ‘’Operating Parameters’’, active la casilla ‘’Firing’’ y cambie
los grados del cigüeñal al cual ocurre la chispa por 719 ver Figura 72.
Figura 72. Ventana de ángulo encendido de la mezcla (Firing)
Cambie el valor de la chispa
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• Corra la configuración con el botón “Run with this Setup” y guarde los
gráficos correspondientes a masas, ratas de flujo, flujos de energía,
velocidades y diagrama P-V, para cada uno de los valores de Fp.
• En el cuadro “Run Task Option”, active la casilla correspondiente al
desempeño del ciclo (Display Data Performance for Last Cycle) y presione
“Execute Selected Run Task” para correr la configuración. Guarde los
datos.
Repita el análisis de resultados ya realizado para los datos de desempeño del
motor con el Fp para la compresión de 0.005020 y 0.1 con la chispa 719 grados
después del TDC.
� ¿Qué diferencias encuentra para los dos casos?
� ¿Qué conclusiones puede tomar del los desempeños del
motor?
� Observe que puede iterar la chispa hasta que encuentre un
rendimiento óptimo del motor.
Segunda Parte
• Retome la configuración del motor Lumley`s XK sin modificar.
• En el menú de los parámetros del modelo, en el área de modelo de
propagación de la llama (Flame Propagation Model) modifique el valor de la
casilla de fracción de masa inicial encendida (Fraction of Mass Ignited at
Ignition) como se ve en la Figura 73, primero simulando con una bujía
estándar (es decir el valor predeterminado), y luego con una bujía de mayor
rendimiento (de dos o mas electrodos) que da una fracción de masa inicial
encendida del 3%.
Figura 73. Ventana de modelo de propagación de la llama (Flame Propagation
Model)
Cambie el valor para una bujía estandar y una mas eficiente.
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
• En cada caso, corra la configuración con el botón “Run with this Setup” y
guarde los gráficos correspondientes a masas, ratas de flujo, flujos de
energía, velocidades y diagrama P-V.
• En el cuadro “Run Task Option”, active la casilla correspondiente al
desempeño del ciclo (Display Data Performance for Last Cycle) y presione
“Execute Selected Run Task” para correr la configuración. Guarde los
datos.
Figura 74. Ejemplo de gráfica generada con el ESP. Diagrama indicador P-V para
una fracción de masa inicial encendida de 3%.
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4.3.5.6 Análisis de resultados. Segunda Parte. Una vez obtenidas las gráficas
y datos de desempeño para cada uno de los valores fracción de masa inicial
encendida:
� Compare los resultados obtenidos en cada gráfica con la
modificación de la fracción de masa inicial encendida
turbulencia para los dos casos, saque conclusiones.
� Compare los resultados obtenidos para los datos de
desempeño para los dos casos, saque conclusiones.
� Corrobore lo dicho en teoría.
4.3.6 MÓDULO 6: Proceso de Expansión y Reducción d e Emisiones.
Recirculación de Gases de Escape (EGR).
4.3.6.1 Introducción. La tendencia actual en el diseño de motores apunta a
buscar algo eficiente, económico y que cumpla con los tratados ambientales sobre
emisiones nocivas. Una de estas emisiones son los NOx (óxidos de nitrógeno),
las cuales se han combatido con técnicas como los catalizadores y el EGR
(Exhaust Gas Recirculation) o en español, recirculación de gases de escape, que
busca bajar las altas temperaturas pico en la combustión que favorecen la
creación de estos agentes no deseados.
4.3.6.2 Objetivos
• Evaluar la diferencia de funcionamiento de un mismo motor funcionando
con distintos porcentajes de recirculación de gases de escape (EGR).
4.3.6.3 Aspectos Teóricos. El EGR (Exhaust Gas Recirculation) o recirculación
de gases de escape es una técnica utilizada en la mayoría de motores a gasolina
y diesel como manera de reducir las emisiones de NOx (óxidos de nitrógeno y
dióxido de nitrógeno).
El principio del EGR es recircular un porcentaje de los gases de escape de vuelta
a los cilindros, para que la carga fresca se mezcle con el gas inerte, de tal forma
que en la combustión la temperatura pico sea más baja y reduciendo la cantidad
de exceso de oxígeno. Esto se hace ya que la formación de estos compuestos se
presenta al reaccionar el nitrógeno y el oxígeno a altas temperaturas
En motores a gasolina encendidos por chispa, es común la recirculación del 5 al
15%, equivalente igualmente en la cantidad de carga del cilindro. El límite máximo
de EGR está dado por la necesidad de conservar un frente de llama uniforme
durante la combustión, ya que si es excesivo, pueden producirse zonas sin
ignición y combustión parcial. Aunque el EGR efectivamente retarda la
combustión, esto se puede compensar con el adelanto de la chispa, y por
consiguiente se aumenta la eficiencia del motor en varias formas tales como:
• Reducción de pérdidas en la mariposa. Al introducir más gases inertes en
la mezcla para una demanda de potencia determinada, la mariposa se debe
abrir más, produciendo mayor presión en el múltiple con el aumento de
eficiencia volumétrica.
• Menores pérdidas de calor. La disminución de la temperatura pico de
combustión reduce el potencial de transferencia de calor a las superficies
de la cámara, siendo este aprovechable como trabajo mecánico.
• Reducción de disociación química. Un menor pico de temperatura resulta
en que más de la energía sensible cerca al TDC se libera, y no se
desperdicia en el proceso de expansión con la correspondiente disociación
en productos de combustión.
El EGR no se utiliza a cargas altas porque la salida de potencia sería insuficiente y
tampoco en cargas bajas o carga cero, porque se podría producir combustión
inestable.
La implementación del EGR usualmente se hace instalando una tubería desde el
múltiple de escape hasta el de admisión, siendo el flujo controlado por una válvula
de EGR. Este es llamado el método externo. Otra forma es mantener algo de gas
de escape en la proceso de intercambio de gases, para que este se mezcle con la
carga fresca. Este método es interno.
4.3.6.4 Procedimiento.
• Ejecute el ESP. Cargue la configuración del motor Lumley`s XK. Mantenga
la configuración inicial sin cambios.
• Ahora en el área de introducción de datos “Run Setup”, abra el cuadro de
parámetros de operación (Operating Parameters) y abra el cuadro
correspondiente a la recirculación de gas de escape (EGR) como se ve en
la Figura 75. Modifique el valor de la casilla porcentaje de recirculación
(Mass Percent EGR) comenzando con 0, 7 y 15% para una temperatura de
600 K.
Figura 75. Ventana de especificación porcentaje de EGR
Cambie los valores de EGR y temperatura
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
• Para cada porcentaje de EGR, corra la configuración con el botón “Run
with this Setup” y guarde los gráficos correspondientes a temperaturas,
masas, ratas de flujo, flujos de energía, velocidades y diagrama P-V.
• Obtenga los datos correspondientes al desempeño del ciclo activando
(Display Data Performance for Last Cycle) y presionando “Execute Selected
Run Task” para correr la configuración. Guarde los datos.
Figura 76. Ejemplo de gráfica generada con el ESP. Gráfico de masas para un
EGR de 7% a 2400 rpm.
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
4.3.6.5 Análisis de resultados. Una vez elaboradas las gráficas y datos de
desempeño para cada uno de los valores de EGR:
� Compare los resultados obtenidos en cada gráfica. con la
modificación del EGR para los tres casos, saque
conclusiones.
� Compare los resultados obtenidos para los datos de
desempeño para los tres casos, saque conclusiones.
� ¿Cómo es el desempeño del motor para cada uno de los
casos? ¿Es bueno o malo el desempeño para el EGR de
15%?
5. CONCLUSIONES
• Se realizó un estudio de los sistemas que componen el motor de
combustión interna, enfocándose hacia sus principales funciones como
aspecto fundamental en la comprensión de su comportamiento. Cabe
resaltar que cada sistema puede ser objeto de estudio para una mayor
profundización.
• Con el estudio de los sistemas que componen el motor y de su
modelado, se pudieron identificar los principales factores y parámetros
que influyen en el desempeño de un motor de combustión interna.
• El diseño de los módulos se enfocó hacia el análisis de los parámetros
principales identificados en el estudio del motor y de los sistemas que lo
componen, igualmente se abarcó la mayoría de la parcelación del curso
de máquinas de combustión interna.
• La integración de conceptos simples de termodinámica, como base para
la caracterización de procesos en el modelado del motor, fortalece aun
más los conceptos teóricos y evidencia la fuerza de esta ciencia.
• Se observó que aspectos más específicos del estudio del motor, tales
como el modelo de transferencia de calor y modelo de turbulencia, son
de gran importancia para entender el modelado y la simulación en el
ESP. En este trabajo se realizó una consulta de los conceptos
generales, quedando como propuesta la inclusión y profundización de
estos temas dentro del microcurriculum de cursos como el de mecánica
de fluidos, transferencia de calor o como tema de tópicos especiales de
ingeniería.
• La implementación del ESP en el curso de Máquinas de Combustión
Interna, está dirigida a mejorar y tender a un nivel más alto de educación
en motores, debido a la utilización de modelos avanzados de
termodinámica, transferencia de calor y mecánica de fluídos, que
permiten analizar el desempeño del motor teniendo en cuenta gran
cantidad de variables, las cuales serían dispendiosas de analizar si no
se tuviera esta herramienta.
• Se noto que el ESP es una herramienta para el análisis termodinámico
del motor, además mediante la variación de parámetros de operación y
con la facultad de tener en cuenta gran cantidad de variables, sirve
como base para la experimentación en motores de combustión interna.
• Es importante tener en cuenta que el ESP puede ser utilizado para la
validación de los datos de desempeño, obtenidos del funcionamiento
real de un motor y el desempeño del mismo obtenido a través de la
simulación con el ESP.
• Para el desarrollo de los módulos fue necesario hacer una integración
de varios modelos educativos (enfoques algorítmico y heurístico,
apoyadas en el computador como medio de enriquecer el ambiente
enseñanza-aprendizaje), con el fin, de realizar un diseño metodológico
que permitiera guiar y a su vez dar libertad de experimentar basándose
en los conceptos teóricos vistos en clase, estableciendo un medio de
complementación entre la teoría y la práctica.
• Los módulos diseñados en este trabajo no abarcan todos los detalles
que se proponen en el microcurriculum de la materia Máquinas de
Combustión Interna, por lo tanto, cabe la posibilidad de diseñar más
módulos que incluyan otros parámetros importantes en el estudio de los
motores, para complementar una batería de aplicaciones mas rica que
abarque los temas de la materia en su totalidad.
• Se notó que el ESP además de ser una ayuda para el análisis
termodinámico del motor, puede ser útil como base para el diseño, ya
que permite la variación de parámetros de operación, y se tienen en
cuenta gran cantidad de variables que influyen en un motor real.
6. RECOMENDACIONES
•••• Es importante tener en cuenta que los esfuerzos en la
implementación del computador como herramienta del proceso de
enseñanza en la materia máquinas de combustión interna, no se
limiten sólo al estudio de estos módulos, sino también a la
generación de otras aplicaciones que validen el desempeño de un
motor de combustión interna.
•••• Para la ejecución de cada módulo es conveniente que el estudiante
haga un estudio previo de los conceptos fundamentales del tema
objeto de práctica.
•••• Al momento de utilizar el Engine Simulation Program es importante
corroborar que los resultados obtenidos sean congruentes con el
comportamiento teórico esperado.
•••• Un módulo adicional que se podría diseñar seria la validación de los
datos de desempeño obtenidos de la ficha técnica de un motor real y
el desempeño del mismo obtenido a través de la simulación con el
ESP.
•••• Es recomendable antes de entrar con el manejo del ESP, estudiar la
convención de valores de giro del cigüeñal adoptada para el tiempo
de las válvulas y tiempo de la chispa entre otros, con el fin, de tener
una mayor agilidad en la entrada o cambio de datos. Esta
convención se encuentra expuesta gráficamente en el capitulo tres
de este trabajo.
BIBLIOGRAFIA
[1] OBERT, EDWARD F. Motores de Combustión Interna, Análisis y
Aplicaciones. México: Continental 1966.
[2] ROMERO PIEDRAHITA, CARLOS A. Motores de combustión interna:
Fundamentos de construcción y cálculo. Pereira, Colombia: Universidad
Tecnológica de Pereira.
[3] MALEEV, V.L. Internal-Combustion Engines: Theory and Design. Estados
Unidos: MCGRAW-HILL COMPANIES INC., 1945.
[4] LUMLEY, John L. The Stanford ESP. Engine: An Introduction. First edition,
Cambridge University Press.
[5] PITTS, Donald R. SISSOM, Leighton E. Convección Forzada: Flujo
Turbulento. Teoría y Problemas de Transferencia de Calor. Primera edición,
Editorial Mc Graw-Hill.
[6] DAVIDSON, Lars. An Introduction to to Turbulence Models. Göteborg,
Sweden: Nov 2003. Avaiable in:
http://www.tfd.chalmers.se/~lada/postscript_files/kompendium_turb.pdf
[7] ROBERT, Philip J- W. WEBSTER, Donald R. Turbulent Diffusion. Atlanta,
USA: 2002. Avaiable in: www.ce.gatech.edu/~dwebster/asce_chapter.pdf
[8] Energetics of turbulent flow. Avaiable in: http://ocw.mit.edu/NR/rdonlyres/Earth--Atmospheric--and-Planetary-Sciences/12-820Spring-2004/E42565CF-4BBD-4BE4-A98C-C624273E6D6E/0/lec03.pdf
[9] GALVÍS PANQUEVA, Álvaro H. Ingeniería de software educativo.
Ediciones Uniandes, Colombia. 1994.
[10] PRORACING SIM. About Simulation Technologies. Memphis, USA: March
2006. Avaiable in: http://www.proracingsim.com/simtech.htm
[11] AutoPartes. México: Marzo de 2006. Disponible en:
http://www.autopartes.com.mx/
[12] HOT ROD Magazine. Technical articles. California, USA: May 2005.
Avaiable in: http://www.hotrod.com/techarticles
[13] Wikipedia: La enciclopedia libre. Marzo de 2006. Disponible en:
http://es.wikipedia.org/
[14] El portal del transporte: Portal de Transporte de la República de Cuba.
Marzo de 2006. Disponible en:
http://www.transporte.cu/ignicion/cd2002/motor_co/adm_esca.htm
[15] John Deere: Respaldo al cliente: Consejos prácticos. Marzo de 2006.
Disponible en:
http://www.johndeere.com.ar/es_AR/ag/homepage/consejo/cs071_sist_admision_
motor.html
[16] Xtreme Tuning: Guía práctica del sistema de escape. Marzo de 2006.
Disponible en: http://www.xtreme-tuning.com/htm/hp/escape.htm
ANEXO 1 (MICROCURRICULUM MAQUINAS COMBUSTION INTERN A)
UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA FACULTAD DE TECNOLOGIAS
ESCUELA DE TECNOLOGÍA MECÁNICA
ASIGNATURA: MAQUINAS DE COMBUSTION INTERNA CODIGO: 245C3 AREA: TERMICAS Y FLUIDOS REQUISITO: TERMODINAMICA 14533 HORAS SEMANALES: 4 HORAS TEORICAS: 2 HORAS PRACTICAS: 2 CREDITOS ACADEMICOS: 3 HORAS SEMANALES DE ESTUDIO INDEPENDIENTE: 4
SEMESTRE: Sexto FECHA DE REVISION: Enero de 2007 JUSTIFICACION Los motores de combustión interna son los motores térmicos más ampliamente utilizados, gracias a que son compactos, tienen elevada economía, fiabilidad, longevidad, son utilizados en todas los sectores de la industria, son además las únicas fuentes de energía en la maquinaria pesada. Pocos inventos han tenido un impacto tan grande en la sociedad, la economía y el medio ambiente como el motor de combustión interna alternativo. Por décadas, el diseño y mejoramiento de los motores de combustión interna no ha tenido una secuencia hilvanada, exenta de la práctica de prueba y error, las empresas tecnológicas líderes en los subsistemas del motor rápidamente imponen sus innovaciones, las cuales no siempre son las mejores porque la competencia global está forzando las reducciones de costo y tiempo disponible para los procesos de diseño, ingeniería y manufactura. TRANSVERSALIDAD DEL CURSO El curso de Máquinas de Combustión Interna propende por la interacción de los conocimientos y las competencias adquiridas en asignaturas como Termodinámica, Resistencia de materiales, Metalografía, Instrumentación y Control, Dibujo de máquinas, Mecánica de fluidos y bombas y Mantenimiento industrial, con el propósito de generar intercomunicación y enriquecimiento recíproco entre docentes y estudiantes, y propiciar un proceso de enseñanza-aprendizaje más integral. No menos importante resulta la transversalidad resultante de la interacción con la industria a través de visitas técnicas y trabajos académicos realizados en las mismas.
COMPETENCIAS El estudiante debe mostrar la posesión individual de un conjunto de conocimientos, habilidades y actitudes que le permitan un buen desempeño en su función productiva acorde al contexto. La combinación de la aplicación de conocimientos, habilidades o destrezas con los objetivos y contenidos del trabajo a realizar, se expresa en el saber, el saber hacer y el saber ser,
manifestadas no sólo en la formación sino en la actuación.
El estudiante, apoyado en el proceso de formación, deberá desarrollar y consolidar las siguientes competencias:
Competencias específicas disciplinares
• Saber los conceptos básicos de funcionamiento y diseño de los sistemas que componen un motor de combustión interna.
• Conocer los fundamentos termodinámicos de los motores de combustión interna. • Valorar, a partir del estudio individual e integral de los procesos, el trabajo de los motores de
combustión. • Asimilar los fundamentos de modelado de los motores de combustión.
Competencias específicas profesionales
• Saber aplicar los conceptos relacionados con el funcionamiento y el desempeño de los motores de combustión interna para lograr intervenir en procesos de diagnóstico, aplicación, operación y mantenimiento de estas máquinas de conversión energética.
• Conceptuar acerca del fundamento teórico que relacionas las variables de funcionamiento de un motor de combustión interna y el desarrollo de los sistemas en función de estos modelos matemáticos.
Competencias específicas varias • Capacidad de lectura, análisis, interpretación y síntesis de información para promover el
autoaprendizaje con creatividad, motivación e iniciativa. • Capacidad de aplicación de recursos como software básico y especializado a la solución de
problemas que simulan la realidad de los procesos productivos de la temática. • Capacidad de trabajo en grupo bajo las políticas del trabajo cooperativo, el saber escuchar y
el saber expresarse en un entorno de respeto, liderazgo y demás valores morales. • Capacidad de pensamiento y reflexión para la identificación así como la toma de decisiones
en situaciones problemáticas no contempladas durante la formación. • Capacidad de razonamiento crítico relacionado con la energía, sus aplicaciones y la
importancia que el perfeccionamiento en el dominio de la tecnología tiene sobre el desarrollo social.
1. GENERALIDADES SOBRE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA Horas teóricas: 4 – Horas prácticas: 2 – Total hora s: 6
Contenido Teórico Horas 1.1 Ciclos termodinámicos ideales. Ciclos reales de los motores de combustión interna. 1 1.2 Clasificación de los motores. 1 1.3 Motores alternativos. Parámetros cinemáticos y dinámicos de los motores multicilíndricos. 1 1.4 Principales términos y definiciones. 1 Contenido Práctico Horas Reconocimiento de los diferentes sistemas que componen los motores de combustión interna (Visita LMCI) Implementación del software Engine Simulation Program
2
2. LOS COMBUSTIBLES Y SUS REACCIONES QUÍMICAS Horas teóricas: 4 – Horas prácticas: 2 – Total hora s: 6
Contenido Teórico Horas 2.1 Combustibles empleados en los motores. Combustibles alternativos. 1
2.2 Reacciones de combustión de los combustibles líquidos 1 2.3 Análisis del proceso de combustión del combustible 1 2.4 Calor específico de la mezcla fresca y de los productos de combustión 1 Contenido Práctico Horas Práctica demostrativa de combustión y combustibles Implementación del software Engine Simulation Program y STANJAN
2
3. PROCESO DE LLENADO Horas teóricas: 6 – Horas prácticas: 3 – Total hora s: 9
Contenido Teórico Horas 3.1 Composición de los sistemas de admisión de aire y combustible en los motores a gasolina. 1 3.2 Composición de los sistemas de inyección de gasolina. 1 3.3 Composición de los sistemas de admisión de aire y combustible en los motores Diesel. 1 3.4 Variación de la presión y la temperatura en la admisión. Modelado del proceso de
admisión. 1
3.5 Rendimiento volumétrico. Procedimientos constructivos y tecnológicos para elevar el rendimiento volumétrico. 1
3.6 Evolución de los mecanismos de distribución de gases. 1 Contenido Práctico Horas Revisión de sistemas de admisión Revisión de los sensores que componen el sistema de admisión Implementación del software Engine Simulation Program
3
4. PROCESO DE COMPRESIÓN Horas teóricas: 3 – Horas prácticas: 1 – Total hora s: 4
Contenido Teórico Horas 4.1 Presión y temperatura al final del proceso de compresión. 1 4.2 Procedimientos constructivos para elevar la relación de compresión 1 4.3 Sistemas de variación de la relación de compresión 1 Contenido Práctico Horas Practica de conocimiento del proceso de compresión Visita técnica: conocimiento de la tecnología de motores modernos.
1
5. PROCESO DE COMBUSTIÓN Horas teóricas: 11 – Horas prácticas: 4 – Total hor as: 15
Contenido Teórico Horas 5.1 Proceso de combustión en los motores a gasolina 1 5.2 Composición y funcionamiento de los sistemas de encendido 1 5.3 Factores que afectan el proceso de combustión en los motores a gasolina 1 5.4 Irregularidades en el proceso de combustión de los motores a gasolina 1 5.5 Proceso de combustión en los motores Diesel. 1 5.6 Composición y funcionamiento de los sistemas de inyección Diesel 2 5.7 Factores que afectan el proceso de combustión en los motores Diesel 1 5.8 Cálculo del proceso de combustión 1 5.9 Modelado del proceso de combustión. Función de Wiebe. 1 5.10 Teoría de la combustión homogénea. 1 Contenido Práctico Horas Práctica demostrativa de sistema de encendido convencional Práctica demostrativa de sistema de arranque Práctica de implementación del Scanner Visita técnica: descripción de sistemas de encendido.
4
6. PROCESO DE EXPANSIÓN Y ESCAPE Horas teóricas: 8 – Horas prácticas: 3 – Total hora s: 11
Contenido Teórico Horas 5.1 Parámetros del proceso de expansión 3 5.2 Presión y temperatura al final del proceso de expansión 2 5.3 El ciclo Millar 1 5.4 Proceso de escape. Modelado del proceso de escape 1 5.5 Toxicidad de los gases de escape. Tratamiento de los gases de escape. Catalizadores 1 Contenido Práctico Horas El sistema de escape 3
7. PARÁMETROS DEL TRABAJO DE LOS MOTORES Horas teóricas: 10 – Horas prácticas: 3 – Total hor as: 13
Contenido Teórico Horas 5.1 Parámetros indicados 1 5.2 Pérdidas mecánicas 1 5.3 Parámetros efectivos 1 5.4 Cálculo térmico y determinación de las principales dimensiones del motor 3 5.5 Particularidades del trabajo de los motores de dos tiempos 1 5.6 Características de los motores. Características de velocidad, carga, regulación, multiparamétricas y toxicidad 2
5.7 Balance energético del motor. Métodos para mejorar los parámetros de los motores 1 Contenido Práctico Horas Laboratorio demostrativo sobre medición de parámetros de trabajo de los motores: motores instrumentados del laboratorio de máquinas de combustión. 3
BIBLIOGRAFÍA Libros � Ashrae Handbook: Heating, Ventilating and Air-Conditioning Systems and Equipment. ASHRAE.
1996. � GANESAN V. Internal Combustion Engines. McGraw-Hill. Singapure. 2004. � HAYWOOD, R. W. Análisis Termodinámico de Plantas Eléctricas. Limusa. México. 2002. � HEYWOOD, John B. Internal Combustión Engine Fundamentals. McGraw-Hill, Inc. USA. 1988. � JÓVAJ., M. S. y MÁSLOV., G. S. Motores de Automóvil. Editorial Pueblo y Educación. La Habana.
1973. � LUMLEY, John L. Engines: An Introduction. Cambridge University Press. USA. 1999. � OBERT, Edward. Motores de combustión interna. CECSA. México. 2000. Capítulo 6. � PULKRABEK, Willard W. Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engines. Pearson
Prentice-Hall. USA. 2004. � RIBBENS, W. B. Understanding Automotive Electronics. SAMS. North College,1992. � ROMERO P., Carlos Alberto. Motores de combustión interna. Universidad Tecnológica de Pereira.
Pereira. 2003. Revistas especializadas � Automotive Engineering International. SAE Internacional. � Gas Vehicular. Orvisa Comunicaciones Ltda. Páginas web � www.deere.com � www.cattruckengines.com � www.perkins.com Software especializado
� STANJAN. Chemical Equilibrium Software. � Engine Simulation Program � Enginnering Equation Solver Videos � Emissions. Mazda. Video. � Engine. Mazda. Video.
METODOLOGÍA � Será impartida una clase magistral utilizando, en cuanto se considere necesario, presentaciones en
proyector de video o acetatos; y se llevarán a cabo laboratorios de tipo demostrativo y visitas técnicas con el propósito de lograr promover las competencias del curso.
� Al inicio de cada clase se plantearán los objetivos de la misma y se llevará a cabo un seguimiento para verificar el logro de las competencias propuestas.
� Se implementará el análisis de situaciones y aplicaciones a través de ejemplos y ejercicios, como elemento fundamental durante el desarrollo de clase para fortalecer el proceso de enseñanza-aprendizaje.
� Se propenderá porque el estudiante se interrogue en cuanto a la solución de situaciones problemáticas, permitiendo de esta manera que cuestione ideas, analice opciones de solución; identifique, compare y seleccione alternativas, fortaleciendo de esta manera la actividad pensante del alumno.
EVALUACION La evaluación del curso está compuesta de los siguientes aspectos:
1. Primera evaluación parcial [20%]: se llevará a cabo en la primera sesión de la sexta (7ª) semana de clase.
2. Segunda evaluación parcial [25%]: se llevará a cabo en la primera sesión de la doceava (12ª) semana de clase.
3. Examen final [25%]: se llevará a cabo en la hora y fecha fijada para el examen final. 4. Seguimientos [30%]: tareas, consultas, talleres, prácticas, visitas técnicas. Se debe realizar un
informe y/o sustentación de prácticas y visitas. El informe y su sustentación se deben realizar en los horarios de atención a estudiantes y en un plazo máximo de cinco días hábiles luego de realizada la práctica. Las tareas o consultas se deben entregar en la sesión siguiente.
�� Hoja de cálculo ESP: 5% de la nota de seguimientos �� Implementación de STANJAN: 5% de la nota de seguimientos �� Implementación de EES: 5% de la nota de seguimientos �� Restantes actividades: 15% de la nota de seguimientos
� Las evaluaciones deben medir el logro de las competencias planteadas. � Las evaluaciones deben fomentar la discusión, el análisis y la argumentación de los resultados
obtenidos como solución a las situaciones propuestas como evaluación.
ANEXO 2. SOLUCIÓN MÓDULO 2 - COMBUSTIBLES Y SUS RE ACCIONES
QUÍMICAS. COMPARACIÓN ENTRE GAS NATURAL VEHICULAR Y
GASOLINA
• Combustibles a comparar:
o Gas natural ( 4CH )
o Heptano, un hidrocarburo semejante a la gasolina (C7H16).
• Según cada combustible, se obtienen los coeficientes estequiométricos y se
determinan los reactivos y los productos con base en la ecuación general
de combustión de hidrocarburos.
2 2 2 22 2 2 2 2( 3.76 )x y O CO H O NC H V O N V CO V H O V N+ + → + +
2
2
2 2
2 2 2
2
2
:
: 2
: 3.76*
: / 2 / 4
CO
H O
N O
o CO H O
C V x
H V y
N V V
O V V V x y
=
=
=
= + = +
Para el Gas Natural ( 4CH ) se tiene:
2
52.776.3
2
1
2
22
2
2
=
==
=
==
O
ON
OH
CO
V
VV
V
xV
4 2 2 2 2 22( 3.76 ) 2 7.52CH O N CO H O N+ + → + +
Para el Heptano (C7H16) se tiene:
2
52.776.3
2
1
2
22
2
2
=
==
=
==
O
ON
OH
CO
V
VV
V
xV
7 16 2 2 2 2 211( 3.76 ) 7 8 41.36C H O N CO H O N+ + → + +
• Con la aplicación complementaria del ESP, ESPJAN y según los cálculos
de reactivos y productos para cada combustible, se generan las tablas de
propiedades en un archivo .ESJ. Respectivamente son:
o GASOLINA.ESJ
o GAS.ESJ
Para la evaluación de los reactantes y los productos, se tiene en cuenta que justo
antes de encenderse la mezcla la presión en el cilindro alcanza los 2 bar., y para
los productos se alcanza una presión de 6 bar.
• Al ejecutar el ESP se carga la configuración preestablecida del motor
Lumley`s XK. Se cambian las propiedades del combustible en el área de
propiedades del gas para cada caso.
• Paso seguido, se generan las gráficas de temperatura, presión, flujo de
energía y el diagrama P-V siguiendo el procedimiento especificado en el
Modulo 1.
Los gráficos obtenidos de la simulación son los siguientes, siendo los de la
izquierda obtenidos con gas natural y los de la derecha obtenidos con gasolina:
Gráficos de Temperatura del Ciclo
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
Gráficos de Presión de Ciclo
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
Gráficos de Flujo de Energía de Ciclo
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
Diagrama Indicador Presión-Volumen
Engine Simulation Program. STANFORD UNIVERSITY
Análisis de resultados
Con base en las gráficas obtenidas mediante el ESP, y consultando información
sobre el tema, se resuelven los siguientes interrogantes:
• ¿A qué se debe la diferencia de presión?
Si se observa la diferencia entre los poderes caloríficos de cada
combustible, como se ve en la tabla, la energía liberada durante la reacción
de combustión es menor para el gas, produciendo una presión menor
dentro de la cámara.
Combustible Poder calorífico inferior (kJ/kg) Poder calorífico superior (kJ/kg)
Gas natural 39900 44000
Gasolina 43950 46885
Fuente: http://onsager.unex.es/Apuntes/Termo/Tablas-Tema-3.pdf
• ¿Qué diferencias encuentra entre las temperaturas pico de ambos
combustibles? ¿Cómo creé que se ve reflejado en la práctica?
En las gráficas de temperatura se observa que la temperatura máxima del
ciclo utilizando gasolina es aproximadamente de 3000K y la máxima
temperatura utilizando gas natural es aproximadamente 2800K.
El principal reflejo en la práctica se ve en las emisiones contaminantes.
Con la gasolina se producen óxidos de nitrógeno y monóxido de carbono,
ya que la temperatura más alta favorece esta situación. El gas natural, al
producir una temperatura menor dentro de la cámara, reduce la formación
de agentes nocivos.
• ¿A qué se debe la diferencia en la salida de potencia, tomando como
referencia el gráfico de flujo de energías?
En las gráficas de flujo de energía se ve claramente una diferencia en la
potencia entregada al pistón. Para el gas, la potencia es de 139kW
aproximadamente. Para la gasolina es de 149kW. Es una diferencia
aproximada de 10kW o 13.4HP. En la salida de potencia se nota la
influencia de una menor energía y poder calorífico del combustible.
• Compare los diagramas P-V y apoyado en las gráficas anteriores cómo se
ven reflejadas las diferencias en el rendimiento global del motor.
Al observar los diagramas indicadores, se nota aumento del área bajo la
curva y por consiguiente un mayor trabajo útil. A causa de la mayor presión
en el cilindro, tomando la expresión, .
p p
dz dzW PA F
dt dt= = , se obtendrá mayor
potencia, y por ende, mejor rendimiento del motor, por la proporcionalidad
de la presión.
Ya un aspecto distinto a ser evaluado en la vida cotidiana es la relación
costo-beneficio, ya que la pérdida de rendimiento se podría compensar en
ahorro de dinero, por su menor costo respecto al de la gasolina. A modo
general, existen pros y contras para el uso del gas natural vehicular, tales
como el factor ambiental, el factor económico y el desempeño del motor,
aspectos todos relevantes al tomar la decisión de una conversión.