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L2-3.- Renovación de la carga Carlos Guardiola Septiembre 2013 OBJETIVOS Conocer los factores principales que afectan el proceso de renovación de la carga en MCIA Comprender los factores que condicionan el diseño de las válvulas Entender la importancia de optimizar el diagrama de distribución y las ventajas de los sistemas de distribución variable Conocer los fenómenos de ondas en los colectores, y cómo aprovecharlos para el proceso de renovación de la carga mediante el sintonizado de colectores Conocer las particularidades de los motores de 2T de barrido por cárter L2-3.- Renovación de la carga Carlos Guardiola Septiembre 2013 CONTENIDO Introducción Renovación de la carga en 4T Válvulas Diagrama de distribución Sintonizado de colectores Renovación de la carga en 2T Resumen INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga INTRODUCCIÓN Desde el punto de vista energético, la combustión es el fenómeno responsable 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 aire en el motor es el fenómeno limitante Como los MCIA son de ciclo abierto, la entrada de mezcla fresca lleva aparejada la salida de gases de escape Renovación de la carga (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 INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga INTRODUCCIÓN 2T 4T 2T bar. independiente barrido por cárter COMP Evaluación PRC: ƞv y Wb. INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN Wn=Wi(ƞv) - Wb EX SINTONIZADO COLECTORES COMB BARR MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga 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 no existe cortocircuito de mezcla fresca Los gases de escape están a la misma presión y temperatura que la mezcla de admisión m m INTRODUCCIÓN VÁLVULAS n VT m ,a v 1 2 DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga PROCESO DE ADMISIÓN REAL Variación de los diferentes efectos con el régimen de giro v calentamiento aumenta con t cm-1 ideal (ƞv=1) fricción fluida (∆p) válvulas, filtro, silenciador, uniones... aumenta con ma cm compresibilidad tapón sónico en válvulas a muy alto ma alto cm inercia (y reflujos) cm INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN sintonizado colectores efectos asociados al flujo no estacionario SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga VÁLVULAS Sección de paso en válvulas sección más estrecha PIPA DE ADMISIÓN PIPA DE ESCAPE Válvula de admisión más crítica para ηv Escape: afecta a la presión de los residuales y a Wb INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga VÁLVULAS Flujo a través de un conducto convergente m A·c· cte Ecuación de continuidad Conservación de la energía h0 c p ·T c 2 2 cte Ley de estado p R·T Evolución isentrópica p· cte m Ac A p0 RT0 1 2 2 p p 1 p0 p0 1.4 1.2 1 M 0.8 m R·T0 A· p0 2 1 pc p0 1 m RT0 2 2 Ap 1 1 0 max INTRODUCCIÓN VÁLVULAS 0.6 0.4 1 1 DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN 2 1 1 0.2 0 0 0.2 SINTONIZADO COLECTORES 0.4 0.6 0.8 MOTORES 2T 1 R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga VÁLVULAS Condiciones del flujo en las válvulas cm Ap D p2 cm V uv Aef cd Aref Dv2 Cd 2 u D c M v v p m a Dv aC D v v ~0.6 Dispersión cm INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN L2-3.- Renovación de la carga ~1 SINTONIZADO COLECTORES Mv MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 VÁLVULAS Diseño: maximizar sección válvulas Aumentar el tamaño Mejorar el diseño de las pipas INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga VÁLVULAS - CULATAS MULTIVÁLVULAS Bujía Inyect E I E I Bujía Inyect E I I E I Bujía Inyect E I INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga 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 INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga DIAGRAMA DE DISTRIBUCIÓN Debido a la existencia de inercia, el flujo a través de las válvulas no es nulo en los PM Los fenómenos de inercia aumentan con el régimen de giro del motor El diagrama de distribución se modifica para aprovechar estos efectos INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga DIAGRAMA DE DISTRIBUCIÓN Diagrama de distribución real Avance a la Apertura del Admisión (AAA) Levantamiento válvulas (mm) CRUCE Retraso al Cierre de la Admisión (RCA) PMS Avance a la Apertura del Escape (AAE) ro AAA es CRUCE DE VÁLVULAS EXPANSIÓN INTRODUCCIÓN ESCAPE VÁLVULAS AAE Pr RCA Tiempo / Angulo APERTURA ESCAPE RCE ión e n ci l in d Retraso al Cierre del Escape (RCE) PMI APERTURA ADMISIÓN ADMISIÓN COMPRESIÓN DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga DIAGRAMA DE DISTRIBUCIÓN Retraso del cierre de la admisión RCA Aprovecha EFECTOS de INERCIA a alto régimen REFLUJOS a bajo régimen RCA INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga DIAGRAMA DE DISTRIBUCIÓN Avance de apertura del escape AAE óptimo: Poca pérdida de trabajo de expansión, menor trabajo de bombeo Si n AAE (condiciones sónicas) Variaciones de AAE no modifica otros ángulos. INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga 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 puede utilizarse cruces importantes para barrer los gases de escape y refrigerar las válvulas de escape INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga DIAGRAMA DE DISTRIBUCIÓN Valores característicos del diagrama de distribución a) b) c) d) INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN Valores límite MEP-MEC turismo Valores habituales MEPMEC turismo MEC sobrealimentado gran tamaño MEP altas prestaciones SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga DIAGRAMA DE DISTRIBUCIÓN Los ángulos óptimos (reflujos/inercia) dependen del punto de funcionamiento: sistemas de distribución variable Prácticamente todos los MEP actuales de automoción presentan algún sistema de distribución variable Algunos permiten variar el desfase, levantamiento, perfil, etc. INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga DIAGRAMA DE DISTRIBUCIÓN Sistemas de distribución variable: Sistemas mecánicos INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga DIAGRAMA DE DISTRIBUCIÓN Sistemas de distribución variable: desfasadores hidráulicos INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga DIAGRAMA DE DISTRIBUCIÓN Sistemas de distribución variable: sistema ‘cameless’ hidráulico Permite reducir necesidad mariposa PLENA CARGA a max n INTRODUCCIÓN PLENA CARGA a CARGA baja n PARCIAL, CARGA PARCIAL RALENTÍ VÁLVULAS URBANO DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN http://www.youtube.com/watch?v=5IrPcmMHqHE SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga 3 EFECTOS DINÁMICOS 0.0008 p cilindro A admisión 2.5 2 S [m2] p [bar] Comportamiento pulsante del motor 0.0006 0.0004 1.5 Comportamiento alternativo (f=z·n/2) 1 Alta presión en el 0.0002 A escape 0.5 cilindro a la apertura del escape: escape espontáneo 0 180 360 [º] Velocidad del gas en la pipa de escape Movimiento del pistón: escape forzado Pulsaciones de presión y velocidad en las válvulas y colectores INTRODUCCIÓN DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN VÁLVULAS 540 alta carga media carga SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga EFECTOS DINÁMICOS Ejemplos de presiones en los colectores 5 4 P3 [bar] 1250 rpm 3 2 2500 rpm 1 0 INTRODUCCIÓN 180 360 [º] VÁLVULAS 540 720 DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga SINTONIZADO DE COLECTORES Pulsaciones de presión (gasto y temperatura) en los colectores problema de flujo no estacionario A cA 0 t x EC. CONTINUIDAD CONS. MOMENTO CONS. ENERGÍA cA c2 c dA 2 c ·A pA f 0 D p t x 2 c dx p c2 p c2 A cA t 1 2 x 1 2 p RT EC. ESTADO INTRODUCCIÓN q A 0 VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga SINTONIZADO DE COLECTORES Dicha dinámica afecta a la velocidad de desplazamiento del: c p Gas p0 1 2a0 p 2 1 c 1 p0 p0 Perturbaciones 1 2 a0 1 p 2 1 c pr c a 1 2 p0 INTRODUCCIÓN VÁLVULAS x c pr DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN cpr≈a0 ante pequeñas perturbaciones SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga SINTONIZADO DE COLECTORES Reflexión de ondas de presión: Extremo cerrado Rarefacción en extremo abierto INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga SINTONIZADO DE COLECTORES Diseño de colectores de admisión (4T): L ·c pr ·a0 4· ·n 4· ·n Onda reflejada PMS Angulo PMI Tiempo RCA 90 120º Aprovechando la dinámica de ondas, se pueden conseguir incrementos del 25% en v INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga SINTONIZADO DE COLECTORES Diseño de colectores de escape (4T): L ·c pr ·a0 4· ·n 4· ·n 180 º AAE RCE PMI PMS 0 º Angulo Tiempo 90 º 180º Si la rarefacción llega durante el cruce de válvulas, puede aumentarse el rendimiento volumétrico en torno a un 5% INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga SINTONIZADO DE COLECTORES Motores policilíndricos (4T): 4 en 1 INTRODUCCIÓN VÁLVULAS 4-2-1 DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga SINTONIZADO DE COLECTORES Sintonizado. Decisión en el diseño: INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga SINTONIZADO DE COLECTORES Colectores de admisión de geometría variable: 90º ·a0 360º L 2·n INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga SINTONIZADO DE COLECTORES Colectores de admisión de geometría variable: INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 L2-3.- Renovación de la carga SINTONIZADO DE COLECTORES Colectores de escape de geometría variable: INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R L2-3.- Renovación de la carga Carlos Guardiola Septiembre 2013 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 mezcla fresca y los gases de escape INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN L2-3.- Renovación de la carga SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 MOTORES 2T DE BARRIDO POR CÁRTER Diseño específico del colector de escape con cono y contracono: El cono crea una rarefacción que ayuda a la entrada de mezcla fresca entre AT y CT Régimen de giro: X rpm Influencia del régimen de giro en el proceso de barrido Régimen de giro: X/2 rpm El contracono crea una sobrepresión que debe evitar el cortocircuito entre CT y CE INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R L2-3.- Renovación de la carga Carlos Guardiola Septiembre 2013 MOTORES 2T DE BARRIDO POR CÁRTER Ejemplo de sintonizado: Motor de 50 cm3 Presión medida en la lumbrera de escape Plena carga 5500 rpm 8500 rpm PAR (Nm) 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 2000 3000 INTRODUCCIÓN 4000 5000 6000 7000 8000 Régimen de giro (rpm) VÁLVULAS 9000 10000 DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN L2-3.- Renovación de la carga SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R Carlos Guardiola Septiembre 2013 RESUMEN El proceso de renovación de la carga es clave para el correcto funcionamiento del motor El PRC influye sobre las prestaciones y el rendimiento En los motores de 4T el rendimiento volumétrico suele ser menor que 1. El rendimiento volumétrico es afectado por numerosos factores de carácter complejo El sintonizado de colectores y la optimización del diagrama de distribución permite la mejora del rendimiento volumétrico (para n fijo) Los sistemas de geometría variable permiten obtener esas ventajas en mayores rangos de régimen de giro La renovación de la carga en los motores de 2T de barrido por cárter tiene complejidad adicional al producirse procesos de mezcla y cortocircuito INTRODUCCIÓN VÁLVULAS DIAGRAMA DISTRIBUCIÓN SINTONIZADO COLECTORES MOTORES 2T R L2-3.- Renovación de la carga Carlos Guardiola Septiembre 2013 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, Systems and Perspectives" (Cap. 10)
