2012-7 Mejora del rendimiento volumétrico de un múltiple de

UNLP - FI - Proyecto de Motores - 2012
OPTIMIZACION DEL RENDIMIENTO VOLUMETRICO A PARTIR DE LA
MODIFICACIONDE UN ULTIPLE DE ADMISION
Objetivo
En el presente informe se busca mejorar la performance de un motor alternativo a
partir de la incremento del rendimiento volumétrico. Para esto se analizará el diseño
del múltiple de admisión de un Peugeot 307.
Introducción
La finalidad de mejorar la performance es conseguir una mayor potencia del motor o
un mejor aprovechamiento de la misma. Por lo general, suele realizarse en motores
cuya mecánica no es muy apurada y permiten con cierta facilidad aumentar las
prestaciones de la máquina, cambiando o simplemente retocando alguno de sus
elementos.
El motor de combustión interna de cuatro tiempos necesita mezclar una cantidad
importante de oxígeno con el combustible para permitir que la combustión se realice
en el interior de la cámara de combustión.
A partir de esto podemos aumentar la potencia, por medio de la mejora del
rendimiento volumétrico, llevando a cabo alguna/s de las siguientes posibilidades.
Alargamiento de los conductos.
Instalación de un enfriador en la toma de aire.
Cambio de material.
Desarrollo
El múltiple de admisión (figura N°1) es el componente por el cual conecta el sistema
de carburación o inyección, según corresponda, con la cámara de combustión para el
ingreso de mezcla aire-combustible. Este elemento consta de una serie de tubos que
hacen de interfaz entre ambas partes ya mencionado.
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Figura 1
El rendimiento volumétrico relaciona la cantidad de masa de aire que realmente entra
en el cilindro con la masa que es capaz de llenar el cilindro en las condiciones de
aspiración. El objetivo propuesto es tratar de lograr un diseño adecuado en el múltiple
de admisión para lograr que entre la mayor cantidad de mezcla, con las adecuadas
propiedades físicas, las cuales son las siguientes:
Turbulencia
Homogeneidad e uniformidad de repartición de la mezcla en los distintos
cilindros
Temperatura de entrada del múltiple lo mas baja posible
Pureza en el aire (si bien se necesita un filtro que produce una resistencia
importante al caudal, no puede suprimirse)
Soluciones propuestas:
1) Alargamiento de los conductos: Con esta configuración se obtiene una mayor
inercia en la entrada de aire, logrando de esta manera, un aumento en la
energía cinética a la entrada del cilindro producto de un incremento en la masa
de admisión. Se propone un diseño en forma de rulo, para ocupar la menor
cantidad de espacio y obtener una posible turbulencia adicional.
2) Instalación de un enfriador en la toma de aire: Este sistema sería eficiente para
lugares donde el motor trabaje a altas temperaturas. La fuente fría podría
provenir de un sistema externo al motor. Este principio se basa en que a menor
temperatura la mayor densidad y por ende mayor masa de aire que entra al
cilindro.
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3) Cambio de material: Se propone utilizar como material alternativo teflón, un
polímero que tiene excelentes propiedades térmicas (resistente a temperaturas
criogénicas y a altas temperaturas), un muy bajo coeficiente de roce (menor a
0.1) y buenas propiedades mecánicas (34.5 MPa).
Este material es ideal para disminuir el rozamiento entre paredes de los
conductos y flujo de aire. También se podría utilizar como revestimiento en los
conductos, en otros materiales de mayor resistencia mecánica y menor
densidad.
Solución seleccionada
Lo más efectivo que se puede realizar en los conductos para conseguir más potencia
es que el aire de la mezcla que adquiere a la entrada del filtro de aire pierda la menor
cantidad de velocidad posible en el momento de entrar, a través de su válvula (o
válvulas) de admisión al interior de la cámara de combustión. Lo que se trata de lograr
es aumentar la presión de ingreso de la mezcla en la cámara es decir, la presión de
admisión. Ante muy pequeños aumentos de valores de presión de admisión se
obtienen aumentos considerables de potencia.
Los conductos deben permitir el paso de la mezcla a la mayor velocidad y con la
menor resistencia posible a su paso (combinación de la alternativa 1 y 3).
Además, han de tener una geometría que genere la turbulencia de la mezcla cuando
ésta penetra en el interior de la cámara de combustión a través de la válvula de
admisión.
Es por eso que la forma y pulido de los conductos, de manera que orienten
debidamente el paso de la mezcla, conforman lo de mayor importancia para lograr
más potencia.
Para que la mezcla se queme lo más rápido posible, es necesario que esté dotada de
un movimiento intenso de revolución sobre sí misma en el momento en que salte la
chispa de encendido, porque esto hace que el frente de llama avance a muy alta
velocidad. Este movimiento es posible gracias a la forma de los conductos de admisión
en combinación con la cámara de combustión.
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A partir de lo explicado anteriormente se tomo como mejor alternativa la del diseño de
los tubos de admisión.
El múltiple de admisión, en funcionamiento normal, está regido por la presión
atmosférica y por lo tanto no podrá haber dentro de él, teóricamente, mayor presión de
aire que la disponible en la atmósfera. La importancia, radica en que como la presión
atmosférica es relativamente baja, el llenado de los cilindros es siempre inferior a su
cilindrada propia, y si el llenado es deficiente, todo el motor rinde poco.
La idea de diseñar unos conductos de admisión con una correcta longitud esta basado
en el efecto que se denomina golpe de ariete. Cuando hacemos circular agua por un
caño largo y cerramos la salida bruscamente sentimos que todo el caño sufre un golpe
que se manifiesta por un ruido y una vibración. Este golpe se produce por un efecto
muy sencillo debido a la inercia del fluido circulante, que al cerrar la las válvulas de
admisión, este se frena de manera brusca y toda la columna que viene atrás golpea y
trata de comprimirse contra la válvula. El efecto aumenta cuanto mas denso sea el
fluido, cuanto mas largo es el conducto, cuanto mas rápido estuviese circulando el
mismo cuanto mas brusco es el cierre de válvulas.
Entonces el efecto varía su intensidad por varias cosas: Densidad y velocidad del
fluido, longitud de conducto y rapidez con q se cierra la válvula. El fluido no lo
podemos cambiar, es el aire, pero podemos tomarlo frío (mejor) o caliente (peor)
debido al cambio de densidad producido por la variación de temperatura (alternativa
2). La velocidad del fluido esta ligada a la velocidad de rotación del motor, por lo que
es imposible de variar independientemente del funcionamiento y con respecto a la
velocidad de cierre de la canilla, también podemos variarlo, eso sería haciendo una
leva cuyo cierre sea abrupto, con lo que la de cierre de la válvula, será muy alta y el
choque de la columna de aire contra ella será mas violento y producirá mas presión.
Esto nos lleva a que la única variable que nos queda para modificar es la longitud de
los conductos.
Lo que se busca en la optimización de la longitud de los conductos es que se produzca
un golpe de ariete, rebote la onda, vuelva a chocar contra la atmosfera en el otro
extremo del conducto y que al volver para nuevamente chocar la válvula, esta se abra
para el siguiente ciclo y de esta manera entre el fluido a mayor velocidad.
El problema de la optimización de la longitud reside que el punto de mayor rendimiento
estaría para un determinado número de vueltas del motor con una determinada
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velocidad del fluido. Es por eso que se determina un número de vueltas de utilización
mas frecuente, sería con un valor de rpm nominales, alrededor de las 2000/3500rpm.
Entonces se calcula un largo de los conductos para que a esa velocidad de gases se
nos dé el máximo efecto posible de sobrepresión.
Múltiples de admisión variable.
La idea de estos múltiples es generar una segunda longitud de los conductos para así
optimizar el rendimiento volumétrico a alto régimen del motor. Esto se resuelve
poniendo un segundo tubo de admisión con una válvula de estilo mariposa que a
régimen nominal se encuentra cerrada y a altas rpm esta se abre permitiendo una
mayor entrada de aire y pudiendo aprovechar el efecto del golpe de ariete. Este diseño
se puede apreciar en la Figura 2.
Figura 2
La disposición A quedaría para régimen nominal, y la disposición B, mas corta, para
alto régimen. Esto es así porque al tener mayor número de rpm, el fluido se desplaza
más rápido, haciendo que la onda llegue más rápido a la atmosfera y se produzca la
contrapresión a menor tiempo. De esta manera nos permite que la apertura de la
válvula del siguiente ciclo se produzca justo en el momento que se produce la
contrapresión.
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Conclusión
La determinación de la longitud de los conductos es extremadamente importante, ya
que de esta se determina el valor de rpms a la cual se va a tener un mayor
rendimiento volumétrico. De manera inversa, lo que se busca hacer es determinar una
longitud de conductos óptima para un rango de rpm que consideramos de mayor
frecuencia, y una segunda longitud que nos determina un mayor rendimiento a
potencia máxima.
Esta solución, sumada a la de revestido de teflón de los conductos para así disminuir
las perdidas en la entrada de aire por rozamiento (alternativa 1+3), nos daría un
considerable aumento en el rendimiento volumétrico del motor.
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