Rendimiento Adiabático de la Cámara de combustión

Rendimiento Adiabático de la
Cámara de combustión
Alumnos:
Asborno, Martin
54858/0
Díaz, Enzo
55011/2
Di Bin, Ricardo
54310/6
Profitos, Mauro
54616/3
Rendimiento Adiabático de la Camara de
Combustión
CATEDRA:
PROYECTO DE MOTORES
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Prof. Saralegui Gustavo
Rendimiento de adiabaticidad de la cámara de combustión
En la fase de combustión se tiene una sensible pérdida de calor a través
de la pared de la cámara. Esta pérdida tiene consecuencia directa en la
disminución de la potencia obtenida.
Esto ocurre debido a las temperaturas alcanzadas por los gases durante
la combustión (del orden de 2500 ° C) que se corresponden de manera similar
a saltos altos de temperatura entre el gas y paredes de la cámara, que sumado
al alto coeficiente térmico de intercambio debido a la alta turbulencia del fluido y
la alta densidad, favorece la transferencia.
Referido a la corriente de aire en la cámara de combustión, el término
turbulencia indica el tipo de movimiento de aire que hay dentro de la cámara,
durante la fase de admisión e inicio de la compresión. Básicamente hay dos
tipos de turbulencias: «swirl» y «tumble».Swirl se da cuando hay un movimiento
rotatorio del aire alrededor de un eje perpendicular a la cámara de
combustión. Tumble se da cuando el giro se da en un eje transversal a la
cámara de combustión. Los pequeños remolinos de aire, provocados
principalmente por la forma del pistón, se conocen en inglés como «squish».
Análisis Genérico
No es difícil hacer un breve análisis del fenómeno, con el fin de extraer
las consecuencias principales sobre el motor.
El rendimiento adiabático de la cámara de combustión se define como la
relación entre el calor que participa realmente en el ciclo de calor y el generado
por la combustión:
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Donde Qp indica la pérdida de calor a través de las paredes de la
cámara. La relación en el segundo miembro de la última expresión representa
el porcentaje de pérdida de calor que es generado por el proceso de
combustión. Minimizar este término es equivalente a maximizar el retorno en
cuestión. Es fácil calcular esta relación. De hecho:
Dónde:
 Kc es el coeficiente de intercambio de calor.
 Sc la superficie de la cámara de combustión.
 Tg es la temperatura del gas.
 Tpc es la temperatura de las paredes.
 tc es el tiempo de combustión.
Siendo:
 Pf es el camino de la llama en la práctica, es decir, la distancia máxima
entre la llama y las paredes.
 vf es la velocidad total de la llama.
Entonces:
Por Termocinética se sabe que el coeficiente de transferencia de calor
es aproximadamente:
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Dónde:
 ρc es la densidad del fluido en la cámara.

vgp la velocidad en régimen turbulento del gas en dirección paralela a las
paredes de la cámara.

D es el diámetro del cilindro.
La primera expresión nos lleva a la densidad del fluido en el extremo de
succión y la relación de compresión CR. En el segundo miembro se recuerda
que toda la velocidad de la turbulencia (y por tanto de la llama) es proporcional
a la velocidad media del pistón (u). Por lo tanto:
Las fórmulas expresan el hecho de que, dada la alta temperatura de los
gases en la combustión, la diferencia de temperatura entre gases de
combustión y paredes que pueden aproximarse con la diferencia entre la
temperatura del gas y la temperatura final de compresión, Tfc, que a su vez es
igual al incremento en temperatura en condiciones isocoras producido por la
combustión de la mezcla aire/combustible efectiva.
Así que en última instancia
Obtenemos ahora Qb:
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Dónde:
 mb es la masa del combustible presente en la cámara.

Vc es el volumen de la cámara.
La relación buscada es por lo tanto proporcional a la duración.
Para una determinada velocidad deseada (cte), la relación de Qp/Qb es
más baja cuanto:
1- Mayor es la densidad del fluido aspirado. Desde el punto de vista de las
pérdidas térmicas son por lo tanto favoritos los motores sobrealimentados.
2- Mayor es el diámetro de cilindro, es decir, para un determinado
coeficiente diámetro/carrera, mayor será el tamaño del cilindro. Desde el punto
de vista de las pérdidas térmicas son por lo tanto favoritos los motores menos
fraccionados (Menor número de cilindros de diámetros mayores).
3- Mayor es la velocidad media del pistón, aumentando las revoluciones y
por ende el rendimiento adiabático del ciclo.
4- Menor es el factor de forma de la cámara de combustión. Observe que
está dado por el producto entre la trayectoria de la llama y la relación
superficie/volumen de la cámara.
De este último punto se deduce fácilmente que esta relación es mínima
para la cámara esférica (encendido en el centro) y mediante el aumento de
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otras formas que se desvían de ella. Es decir, es inferior cuanto más
"compacta" (similar a la esfera) es el diseño de la cámara.
Cabe destacar que el diseño esférico no es sólo una ventaja para las
razones de detonación vistas precedentemente, sino también minimiza las
perdidas durante la fase de combustión térmica.
Análisis Particular
MOTOR FORD FAIRMONT MODELO 1979
Fig. 1: Ford Fairmont modelo 1979.
Datos técnicos del motor:
 Motor V8 (8 en V).
 Cilindrada total 302 pulg³ (5000 cc.)
 Diámetro del pistón 4.000 pulgadas.
 Carrera de los pistones 3.000 pulgadas.
 Relación de compresión 8.4 : 1
 Potencia 140 HP @ 3600 rpm.
 Apriete 250 @ 1800 (pies lib.)
 Presión del aceite @ 2000 rpm 40 – 65.
 Bujías ASF – 52.
 Calibración abertura .050 pulg.
 Distribuidor Electrónico.
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 Las válvulas de admisión se abren 16 grados antes del PMS.
 Presión de la bomba de combustible 5 ½ - 6 ½ lb./ pulg².
 Orden de encendido 1 – 5 – 4 – 2 – 6 – 3 – 7 – 8.
 Propulsores hidráulicos.
Fig. 2: Corte transversal del motor.
Cámara de Combustión
Unos de los aspectos fundamentales referente a las cámaras de
compresión es la forma en que están diseñadas, factor que influye en la
potencia y performance del mismo motor.
Fig. 3: Cámara de Combustión Cilíndrica.
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Este diseño emplea una cámara de combustión del tipo Cilíndrica,
siendo económica y presentando un buen funcionamiento. Con un diseño
sencillo este tipo de cámara permite que la chispa de la bujía provoque la
ignición muy cercana al punto de mejor aprovechamiento. Las válvulas están
en el bloque, no la cabeza, y se abren en una cámara al lado del pistón. La
cabeza en un diseño plano es muy sencillo – es una lámina sólida de fundición
con un agujero para la bujía. El árbol de levas en el bloque empuja
directamente sobre la puntas de las válvulas, eliminando la necesidad de
balancines y rodillos. Todo es más sencillo en este diseño. Su problema es la
eficiencia térmica.
Si bien esta geometría presenta muy buenas prestaciones, se ve
superada por las cámaras del tipo hemisféricas.
Propuesta de Mejora
Reemplazo de diseño de la Cámara de combustión cilíndrica por
una del tipo hemisférica.
Debido al gran espacio que poseen las cámaras de combustión del tipo
hemisféricas, permite que los orificios de admisión y escape sean de gran
tamaño, lo cual hace que cuando el motor está a un alto régimen de
revoluciones produzca una gran potencia. La bujía que está colocada en el
centro de la cámara hace que la inflamación de la mezcla sea rápida y
homogénea.
En este tipo de cámaras se puede hacer que el pistón, inicialmente
plano, lleve un abultamiento en su parte central, lo que se traduce en un
aumento en la relación de compresión y se aumenta la superficie de dispersión.
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Fig. 4: Cámara de Combustión Hemisférica.
La pérdida de calor a las paredes y cabeza del cilindro es una de las
ventajas clave del motor de cámara hemisférica sobre los cilíndricos. Superficie
causa pérdida de calor. Combustible cerca de los laterales de la cabeza puede
que esté tan frío que no queme correctamente. Con una cámara plana, el área
total relativa al volumen de la cámara de combustión es grande mientras que
en una hemisférica la relación es menor. Esto hace que se pierda menos calor
y por tanto menos presión.
Una cosa que un motor de cámara hemisférica no tendrá jamás son
cuatro válvulas por cilindro. Es imposible diseñarlo por cuestiones de
geometría. El problema de las dos válvulas por cilindro es que si queremos
llegar a regímenes altos de giro la respiración del motor no será la misma que
si tuviéramos cuatro válvulas por cilindro.
Si bien dicha cámara mejora el rendimiento adiabático ya que se logra
un menor recorrido de la llama de la mezcla para llegar desde la chispa de la
bujía a la cabeza del pistón gracias a la simetría de su forma, es preciso
adoptar soluciones particulares para la distribución, ya que los ejes de las
válvulas no son paralelos. En los motores más recientes, las exigencias para
obtener elevadas relaciones de compresión con grandes turbulencias y costos
de producción reducidos han limitado el uso de estas cámaras, a pesar de que
siguen considerándose como las mejores en lo que respecta a la posibilidad de
adoptar válvulas de gran diámetro.