L2-3.- Renovación de La Carga. Distribución y Sintonizado

8/15/2019 L2-3.- Renovación de La Carga. Distribución y Sintonizado

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L2-3.- Renovación de la carga Carlos GuardiolaSeptiembre 2013

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


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



MOTORES 2T R


INTRODUCCIÓN

4T 2T barridopor cárter

2Tbar. independiente

COMP COMB

EX BARR Evaluación PRC: ƞv y Wb. Wn=Wi(ƞv) - Wb



MOTORES 2T R


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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



MOTORES 2T R


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



MOTORES 2T R


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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



MOTORES 2T R


VÁLVULAS

Flujo a través de un conducto convergenteEcuación de continuidad

Conservación de la energía

Ley de estado

Evolución isentrópica



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



MOTORES 2T R


VÁLVULAS

Diseño: maximizar sección válvulas

Aumentar el tamaño

Mejorar el diseño de las pipas



MOTORES 2T R


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I E

BujíaInyect

I E

I

BujíaInyect

E

E

I

I

I E

BujíaInyect

VÁLVULAS - CULATAS MULTIVÁLVULAS



MOTORES 2T R


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



MOTORES 2T R



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



MOTORES 2T R


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Retraso del cierre de la admisión

RCA

RCA

REFLUJOS abajo régimen

AprovechaEFECTOS de

INERCIA aalto régimen



MOTORES 2T R



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.



MOTORES 2T R


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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



MOTORES 2T R



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



MOTORES 2T R


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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.



MOTORES 2T R


Sistemas de distribución variable:

Sistemas mecánicos




MOTORES 2T R


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Sistemas de distribución variable: desfasadores hidráulicos



MOTORES 2T R



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



MOTORES 2T R


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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



MOTORES 2T R


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



MOTORES 2T R


pr c


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



MOTORES 2T R


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Reflexión de ondas de presión:

Extremo cerrado

Rarefacción en extremo abierto



MOTORES 2T R



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



MOTORES 2T R


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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



MOTORES 2T R



Motores policilíndricos (4T):

4 en 1 4-2-1



MOTORES 2T R


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Sintonizado. Decisión en el diseño:



MOTORES 2T R



Colectores de admisión de geometría variable:

0

90º·

360º

2·

a

L n



MOTORES 2T R


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Colectores de admisión de geometría variable:



MOTORES 2T R



Colectores de escape de geometría variable:



MOTORES 2T R


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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



MOTORES 2T R



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



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 R


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)

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