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OBJETIVOS
Conocer los factores principales que afectan el proceso derenovación de la carga en MCIA
Comprender los factores que condicionan el diseño de las válvulas Entender la importancia de optimizar el diagrama de distribución ylas ventajas de los sistemas de distribución variable
Conocer los fenómenos de ondas en los colectores, y cómoaprovecharlos para el proceso de renovación de la carga mediante elsintonizado de colectores
Conocer las particularidades de los motores de 2T de barrido por
cárter
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CONTENIDO
Introducción
Renovación de la carga en 4T
Válvulas
Diagrama de distribución Sintonizado de colectores
Renovación de la carga en 2T
Resumen
INTRODUCCIÓN VÁLVULASSINTONIZADOCOLECTORES
DIAGRAMADISTRIBUCIÓN
MOTORES 2T R
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INTRODUCCIÓN
Desde el punto de vista energético, la combustión es el fenómenoresponsable de la entrega de potencia. La combustión precisa la
formación de una mezcla aire-combustible Como la inyección de combustible es ‘forzada’, la entrada de aireen el motor es el fenómeno limitante
Como los MCIA son de ciclo abierto, la entrada de mezcla frescalleva aparejada la salida de gases de escape Renovación de lacarga (PRC)
Definición: proceso mediante el cual los gases producto de la
combustión son desalojados del cilindro y substituidos por mezcla(aire) fresca
4T: realizado durante las carreras de éscape y admisión
2T: realizado en las cercanías del PMI
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DIAGRAMADISTRIBUCIÓN
MOTORES 2T R
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INTRODUCCIÓN
4T 2T barridopor cárter
2Tbar. independiente
COMP COMB
EX BARR Evaluación PRC: ƞv y Wb. Wn=Wi(ƞv) - Wb
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PROCESO DE ADMISIÓN IDEAL EN 4T
Hipótesis:
No existe fricción entre el fluido y las paredes, y la evolución es
en todo momento reversible El proceso es adiabático
El fluido no tiene inercia y no hay fenómenos dinámicos
Todo el combustible está gasificado
Las válvulas abren y cierran instantáneamente en los PM noexiste cortocircuito de mezcla fresca
Los gases de escape están a la misma presión y temperaturaque la mezcla de admisión
, 12
m T m a v
nm V
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DIAGRAMADISTRIBUCIÓN
MOTORES 2T R
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PROCESO DE ADMISIÓN REAL
Variación de los diferentes efectos con el régimen de giro
mc
v calentamientoaumenta con t cm-1
compresibilidadtapón sónico en válvulas amuy alto ma alto cm
fricción fluida (∆p)válvulas, filtro, silenciador,uniones...aumenta con ma cm
sintonizado colectores
inercia (y reflujos)
ideal (ƞv=1)
efectos asociados al flujo noestacionario
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VÁLVULAS
Sección de paso en válvulas sección más estrecha
Válvula de admisión más crítica para ηv Escape: afecta a la presión de los residuales y a Wb
PIPA DE ADMISIÓNPIPA DE ESCAPE
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VÁLVULAS
Flujo a través de un conducto convergenteEcuación de continuidad
Conservación de la energía
Ley de estado
Evolución isentrópica
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DIAGRAMADISTRIBUCIÓN
MOTORES 2T R
· ·m A c cte
ctecT ch p 2· 2
0
cte p ·
T R p ·
1
0
2
00
0
1
2
p
p
p
p
RT
p A Acm
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
0
·
·
m R T
A p
M
12
1
1
1
max0
0
12
12
Ap RT m
1
01
2
p p
c
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VÁLVULAS
Condiciones del flujo en las válvulas
d v
m p
ref d
pm
ef
vC Dc D
Ac Ac
AV u
2
2
D
m
v
pvv
C a
c
D
D
a
u M
2
v
v M
Dispersión
v
mc ~1
~0.6
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VÁLVULAS
Diseño: maximizar sección válvulas
Aumentar el tamaño
Mejorar el diseño de las pipas
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I E
BujíaInyect
I E
I
BujíaInyect
E
E
I
I
I E
BujíaInyect
VÁLVULAS - CULATAS MULTIVÁLVULAS
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DIAGRAMADISTRIBUCIÓN
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VÁLVULAS Y RELACIÓN S/D
Relación carrera-diámetro
S/D permite aumentar Dv, pero
aumenta el cortocircuito
empeora el llenado a bajo régimen
Motores deportivos: bajos valores de S/D
Mayor régimen (cm=2·S·n)
Mayor sección de válvulas
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DIAGRAMA DE DISTRIBUCIÓN
Debido a la existencia de inercia, el flujo através de las válvulas no es nulo en los PM
Los fenómenos de inercia aumentan conel régimen de giro del motor
El diagrama de distribución se modificapara aprovechar estos efectos
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DIAGRAMA DE DISTRIBUCIÓN
Diagrama de distribución real
PMS
PMI
AAA RCE
CRUCE
RCA AAE
Levantamientoválvulas (mm)
Tiempo / Angulo
EXPANSIÓN ESCAPE ADMISIÓN COMPRESI N
APERTURA ESCAPE
Avance a la Apertura del Escape (AAE)
Avance a la Apertura del Admisión (AAA)
APERTURA ADMISIÓN
Retraso al Cierre del Escape (RCE)
Retraso al Cierre de la Admisión (RCA)
P r
r o
e
i n d
s i
i
l
ó n
e n
c
C R U C E
D E
V Á L V U L A S
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DIAGRAMA DE DISTRIBUCIÓN
Retraso del cierre de la admisión
RCA
RCA
REFLUJOS abajo régimen
AprovechaEFECTOS de
INERCIA aalto régimen
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DIAGRAMADISTRIBUCIÓN
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DIAGRAMA DE DISTRIBUCIÓN
Avance de apertura del escape
AAE óptimo: Poca pérdida de
trabajo de expansión, menortrabajo de bombeo
Si n AAE (condicionessónicas)
Variaciones de AAE nomodifica otros ángulos.
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DIAGRAMA DE DISTRIBUCIÓN
Cruce de válvulas (AAA+RCE = 10º-20º + 15º-30º):
Permite aprovechar los efectos dinámicos en el colector de
escape para mejorar el llenado del cilindro Motores sobrealimentados: si padm es mayor que pesc puedeutilizarse cruces importantes para barrer los gases de escape yrefrigerar las válvulas de escape
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DIAGRAMADISTRIBUCIÓN
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DIAGRAMA DE DISTRIBUCIÓN
Valores característicos del diagrama de distribución
a) Valores límite MEP-MECturismo
b) Valores habituales MEP-MEC turismo
c) MEC sobrealimentadogran tamaño
d) MEP altas prestaciones
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DIAGRAMA DE DISTRIBUCIÓN
Los ángulos óptimos (reflujos/inercia) dependen del punto defuncionamiento: sistemas de distribución variable
Prácticamente todos los MEP actuales de automoción presentanalgún sistema de distribución variable
Algunos permiten variar el desfase, levantamiento, perfil, etc.
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Sistemas de distribución variable:
Sistemas mecánicos
DIAGRAMA DE DISTRIBUCIÓN
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DIAGRAMA DE DISTRIBUCIÓN
Sistemas de distribución variable: desfasadores hidráulicos
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DIAGRAMA DE DISTRIBUCIÓN
Sistemas de distribución
variable: sistema ‘cameless’
hidráulico
Permite reducir necesidad
mariposa
http://www.youtube.com/watch?v=5IrPcmMHqHE
PLENACARGAa max n
CARGAPARCIAL,RALENTÍ
URBANOPLENA CARGA a
baja n
CARGA PARCIAL
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EFECTOS DINÁMICOS
Comportamiento pulsantedel motor
Comportamientoalternativo (f=z·n/2)
Alta presión en elcilindro a la apertura delescape: escapeespontáneo
Movimiento del pistón:escape forzado
Pulsaciones de presión yvelocidad en las válvulas ycolectores
Velocidad del gas enla pipa de escape
alta cargamedia carga
180 360 540
[º]
0.5
1
1.5
2
2.5
3
p [ b a r ]
0
0.0002
0.0004
0.0006
0.0008
S [ m 2 ]
p cilindro
A escape
A admisión
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EFECTOS DINÁMICOS
Ejemplos de presiones en los colectores
0 180 360 540 720 [ º]
1
2
3
4
5
P 3 [ b a r ]
1250 rpm
2500 rpm
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SINTONIZADO DE COLECTORES
Pulsaciones de presión (gasto y temperatura) en los colectores problema de flujo no estacionario
EC. CONTINUIDAD
CONS. MOMENTO
CONS. ENERGÍA
EC. ESTADO
A cA0
t x
2
2 · 02
cA c c dAc A pA f D p
t x c dx
2 2
0
1 2 1 2
p c p c A cA q A
t x
RT p
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pr c
SINTONIZADO DE COLECTORES
Dicha dinámica afecta a la velocidad de desplazamiento del:
Gas
Perturbaciones
12
1
1
2 21
0
0
p
pa
acc pr
11
2 21
0
0
p
pac
cpr ≈a0 ante pequeñasperturbaciones
p
x
0 p
0 p
c
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SINTONIZADO DE COLECTORES
Reflexión de ondas de presión:
Extremo cerrado
Rarefacción en extremo abierto
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SINTONIZADO DE COLECTORES
Diseño de colectores de admisión (4T):
Aprovechando la dinámica de ondas, se pueden conseguir incrementos del25% en v
PMS PMI
RCA
Angulo
Onda reflejada
PMS PMI
RCA Tiempo
n
a
n
c L
pr
··4
·
··4
·0
90 120º
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SINTONIZADO DE COLECTORES
Diseño de colectores de escape (4T):
Si la rarefacción llega durante el cruce de válvulas, puede aumentarse elrendimiento volumétrico en torno a un 5%
n
a
n
c L
pr
··4
·
··4
·0
PMSPMI
AAE RCE AnguloTiempo
º180
º90
º0
180º
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SINTONIZADO DE COLECTORES
Motores policilíndricos (4T):
4 en 1 4-2-1
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SINTONIZADO DE COLECTORES
Sintonizado. Decisión en el diseño:
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SINTONIZADO DE COLECTORES
Colectores de admisión de geometría variable:
0
90º·
360º
2·
a
L n
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SINTONIZADO DE COLECTORES
Colectores de admisión de geometría variable:
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SINTONIZADO DE COLECTORES
Colectores de escape de geometría variable:
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MOTORES 2T DE BARRIDO POR CÁRTER
Problemática específica:
Suministrar la máxima mezcla
Evitar el cortocircuito
Expulsar los gases de escape
Evitar la mezcla entre la mezclafresca y los gases de escape
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MOTORES 2T DE BARRIDO POR CÁRTER
Diseño específico delcolector de escape con cono ycontracono:
El cono crea unararefacción que ayuda a laentrada de mezcla frescaentre AT y CT
El contracono crea unasobrepresión que debeevitar el cortocircuito entreCT y CE
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MOTORES 2T R
Régimen de giro: X rpm
Régimen de giro: X/2 rpm
Influencia del régimen de giro
en el proceso de barrido
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Ejemplo de sintonizado:
Motor de 50 cm3
Plena carga
PAR (Nm)
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Régimen de giro (rpm)
5500 rpm8500 rpm
Presión medida en lalumbrera de escape
MOTORES 2T DE BARRIDO POR CÁRTER
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RESUMEN
El proceso de renovación de la carga es clave para el correctofuncionamiento del motor
El PRC influye sobre las prestaciones y el rendimiento
En los motores de 4T el rendimiento volumétrico suele ser menorque 1. El rendimiento volumétrico es afectado por numerosos factoresde carácter complejo
El sintonizado de colectores y la optimización del diagrama dedistribución permite la mejora del rendimiento volumétrico (para n fijo)
Los sistemas de geometría variable permiten obtener esas ventajasen mayores rangos de régimen de giro
La renovación de la carga en los motores de 2T de barrido porcárter tiene complejidad adicional al producirse procesos de mezcla ycortocircuito
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BIBLIOGRAFÍA F. Payri y J.M. Desantes"Motores de Combustión Interna Alternativos" (Cap. 8, 9 y 10)
J.B. Heywood"Internal Combustion Engine Fundamentals" (Cap. 6)
R. Stone"Introduction to Internal Combustion Engines" (Cap. 6 y 7)
R. van Basshuysen y F. Schäfer"Internal Combustion Engine Handbook: Basics, Components, Systemsand Perspectives" (Cap. 10)