motores de combustión interna 1

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SIMULACION DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Capítulo 1: Introducción a los motores de combustión interna CONTENIDOS 1.1 PERSPECTIVA HISTORICA 1.2 CLASIFICACION DE LOS MOTORES 1.3 CICLOS DE OPERACION EN MOTORES 1.4 COMPONENTES DEL MOTOR 1.5 OPERACION DE UN MOTOR ENCENDIDO POR CHISPA 1.6 OPERACION DE UN MOTOR ENCENDIDO POR COMPRESIÓN 1.7 EJEMPLOS DE MOTORES ENCENDIDO POR COMPRESIÓN 1.8 MOTORES DE CARGA ESTRATIFICADA 1.9 PREDICCIÓN DE LA PERFORMANCE DE UN MOTOR MEDIANTE MÉTODOS NUMÉRICOS 1.1 PERSPECTIVA HISTORICA El propósito de un motor de combustión interna es la producción de energía mecánica a partir de la energía química almacenada en el combustible. En los motores de combustión interna la energía se libera mediante el encendido y la oxidación del combustible dentro del motor a diferencia de los de combustión externa como por ejemplo un horno industrial o una caldera. El fluido de trabajo cambia su composición química antes y después de la combustión y es el encargado de transferir el trabajo al pistón que posteriormente se encarga de transferirlo al resto de los componentes de la cadena cinemática hasta llegar finalmente a las ruedas impulsoras del movimiento.

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SIMULACION DE MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

Capítulo 1: Introducción a los motores de combustión interna

CONTENIDOS 1.1 PERSPECTIVA HISTORICA 1.2 CLASIFICACION DE LOS MOTORES 1.3 CICLOS DE OPERACION EN MOTORES 1.4 COMPONENTES DEL MOTOR 1.5 OPERACION DE UN MOTOR ENCENDIDO POR CHISPA 1.6 OPERACION DE UN MOTOR ENCENDIDO POR COMPRESIÓN 1.7 EJEMPLOS DE MOTORES ENCENDIDO POR COMPRESIÓN 1.8 MOTORES DE CARGA ESTRATIFICADA 1.9 PREDICCIÓN DE LA PERFORMANCE DE UN MOTOR MEDIANTE MÉTODOS NUMÉRICOS 1.1 PERSPECTIVA HISTORICA El propósito de un motor de combustión interna es la producción de energía mecánica a partir de la energía química almacenada en el combustible. En los motores de combustión interna la energía se libera mediante el encendido y la oxidación del combustible dentro del motor a diferencia de los de combustión externa como por ejemplo un horno industrial o una caldera. El fluido de trabajo cambia su composición química antes y después de la combustión y es el encargado de transferir el trabajo al pistón que posteriormente se encarga de transferirlo al resto de los componentes de la cadena cinemática hasta llegar finalmente a las ruedas impulsoras del movimiento.

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Cuando se habla de motores de combustión interna hay que especificar la forma en que se lleva a cabo el encendido, promotor de la combustión

Debido a su simplicidad, robustez y alta relación potencia/peso estos dos tipos de motores han sido ampliamente usados tanto para transporte (tierra, agua y aire) como para generación de potencia. El hecho de que la combustión se produzca dentro del motor lo distingue fuertemente en cuanto a diseño y características de operación del resto de los motores. 1700 - 1850 Motores de calor Fluido de trabajo : vapor de agua 1860 J. Lenoir Fluido de trabajo : aire-gas de carbón quemados a presión atmosférica Sin carrera de compresión. Carga - Combustión - Escape

Aproximadamente 5000 de estos motores fueron producidos entre 1860 y 1865

con potencias de hasta 6 HP y eficiencias inferiores al 5 %.

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1867 N. Otto y E. Langen

Idem anterior pero acoplaron al pistón un mecanismo del tipo cremallera para almacenar inercia de la carrera descendente producida por el incremento de la presión después de la combustión. De esta forma producían el movimiento ascendente del pistón. 5,000 de estos motores fueron producidos con eficiencias térmicas de hasta el 11 %

1876 N. Otto Propuso un ciclo de 4 tiempos para aumentar la eficiencia térmica y reducir el

peso. Para la misma potencia de 2 HP el peso se redujo de 4000 libras a 1250 libras, aumentando la eficiencia mecánica del 68 % al 84 % y la eficiencia global del 11 % al 14 %. (ver tabla 1.1)

En 1890 aproximadamente 50,000 de estos motores habían sido vendidos en Europa y Estados Unidos. En 1884 se halló una patente registrada en 1862 a nombre de Alphonse Beau de Roches quien describía los principios del motor de 4 tiempos propuesto por N. Otto. Ellos se pueden resumir en los siguientes:

§ máximo volumen del cilindro con mínima superficie de

paredes § máxima velocidad de trabajo posible § máxima relación de expansión posible § máxima presión posible al comienzo de la expansión.

Mientras que las primeras dos condiciones minimizan las pérdidas térmicas, la tercera nos dice que a mayor relación de expansión mayor es el trabajo que se le puede extraer al motor. La cuarta condición implica que un crecimiento de la presión máxima origina un crecimiento en la transferencia de trabajo al pistón. 1880 D.Clerk, J. Robson y K. Benz primer motor de dos tiempos carrera de escape al final de la carrera de potencia carrera de admisión al comienzo de la carrera de compresión. 1880 J. Atkinson carrera de expansión mayor que la carrera de compresión. Alta eficiencia pero con inconvenientes de índole mecánico.

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Por esos tiempos era sabido que la eficiencia estaba fuertemente influida por la relación de expansión. No obstante existía a una limitación en la carrera de compresión a relaciones no mayores que 4 dada por la posibilidad de formación de detonaciones (auto-ignición) provocado por la calidad de los combustibles de la época. Esto trajo aparejado la necesidad de trabajar en el desarrollo de carburadores y mejores sistemas de encendido. 1890 Grandes motores mono-cilíndricos de 1.3 metros de diámetro fueron construidos alimentados por gases de hornos de baja energía que producían 600 HP a 90 rpm Restricciones sobre el uso de combustibles volátiles hizo cambiar la orientación de los diseñadores hacia el kerosene . Motores de nafta de baja relación de compresión con vaporizadores de combustible calentados externamente e ignición eléctrica fueron desarrollados, llegando a eficiencias similares a los motores a gas (14 a 18 %). 1892 R. Diesel

patentó una nueva forma de motor de combustión interna que consistía en inyectar combustible líquido en aire previamente comprimido y por ende calentado duplicando de este modo la eficiencia. Mayores relaciones de compresión sin detonación fueron factibles. El proyecto de construcción lo realizó R. Diesel junto a la firma alemana MAN y tardaron 5 años en producirlo.

1957 F. Wankel Motor rotativo de combustión interna Los combustibles han sido muy importantes en el desarrollo de los motores de combustión interna.

• Gases quemados • Naftas livianas fraccionadas a partir de petróleo crudo • necesidad de desarrollar carburadores para vaporizarlas y

mezclarlas con aire

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• limitación de las relaciones de compresión para evitar detonaciones

• aumentar la volatilidad para evitar problemas en climas frios. • Problemas a nivel de producción de naftas trajo aparejado un

período de escasez y aumento en el precio. • Desarrollo de un proceso de cracking térmico provocó un alivio

en cuanto a los problemas de producción y demanda. No obstante el punto de ebullición de las naftas conseguidas aumentó trayendo aparejado problemas relativos a climas frios.

• El arranque eléctrico de los motores subsanó esta dificultad

Durante la I Guerra Mundial se avanzó mucho en el entendimiento de cómo los combustibles afectan la combustión. En 1923 General Motors descubrió que el tetraetilo de plomo como aditivo inhibe la detonación. En 1930 E. Houdry descubrió que crudos vaporizados pasados por catalizadores en un rango de 450 grados Celsius mejoraba mucho la calidad de las naftas. El aumento de la calidad de las naftas trajo aparejado la posibilidad de diseñar motores de combustión interna con mayores relaciones de compresión mejorando la potencia y la eficiencia alcanzada. Durante las últimas 3 décadas nuevos factores de cambio se han hecho

presente en e l diseño y la operación de los motores de combustión interna:

• La necesidad de controlar la polución del aire en las ciudades • La necesidad de alcanzar mejoras sustanciales en el consumo

de combustible de los automóviles 1940 Se detectan los primeros síntomas de la polución ambiental en Los Angeles. Prof. A. Haagen-Smit demostró que los problemas de smog ambiental eran producidos por reacciones de los óxidos de nitrogeno y los hidrocarburos mal quemados en la presencia de la luz solar. Inmediatamente se observó que el transporte automotor era uno de los responsables de la emisión de óxidos de nitrógeno, hidrocarburos y monóxido de carbono. Los motores Diesel eran responsables de la formación de hollín, partículas en suspensión de hidrocarburos y monóxido de nitrógeno. (ver tabla 1.2)

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1960 Se establece primero en California, luego en todo EEUU y posteriormente en Japón y en Europa normas regulatorias sobre la emisión vehicular previéndose planes de reducción que llegan a valores muy bajos para el año 2000. Por este motivo los diseñadores están muy abocados a la tarea de mejorar los diseños. En este sentido se ha avanzado con la incorporación de catalizadores para los gases en el diseño de los sistemas de escape en los motores modernos. Asimismo existe una tendencia en eliminar el uso del plomo como aditivo en las naftas de los motores. Los motores de combustión interna son también una gran fuente de ruido. Las mayores fuentes son:

• sistema de escape

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• sistema de admisión • ventiladores del sistema de refrigeración • ruido aerodinámico • procesos de combustión anormales • componentes rotantes o de movimiento alternativos

1970 Precio del crudo se incrementó notablemente y se sospechó acerca de la disponibilidad futura del mismo. Esto provocó una presión importante sobre el diseño de los motores de forma de que disminuyeran el consumo. Por el lado de la emisión existe una tendencia a disminuir el uso de plomo en las naftas.Por tal motivo las relaciones de compresión deben bajar con lo cual se debe agudizar el ingenio para no perder eficiencia ni potencia. Además existe una tendencia al uso de combustibles alternativos a las naftas y el gasoil, como el gas natural, el metanol y el etanol. A largo plazo se piensa en el uso de naftas sintéticas e hidrógeno. Ultimos avances

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1.2 CLASIFICACION DE LOS MOTORES

Aplicación : (ver tabla 1.3)

• Automóviles • Camiones • Locomotoras • Aeronaves • Embarcaciones • Sistema de potencia portable • Generación de potencia

Diseño :

• Alternativos con cilindros en línea • Alternativos con cilindros en V • Alternativos con cilindros radiales • Alternativos con cilindros opuestos

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• Rotativos (Wankel) Ciclo de trabajo :

• 4 tiempos naturalmente aspirados • 4 tiempos supercargados • 4 tiempos turboaspirados • 2 tiempos barrido natural • 2 tiempos supercargados • 2 tiempos turboaspirados

Diseño y ubicación de las válvulas:

• Válvulas a la cabeza • Válvulas en L • Válvulas rotativas • Barrido con compuertas cruzadas (2 tiempos) • Barrido en forma de lazo (2 tiempos) • Barrido direccional (2 tiempos)

Combustible:

• Nafteros • Gasoleros • Gas natural • Gas licuado • Alcoholes • Hidrógeno • Duales

Método de preparación de la mezcla

• Carburación • inyección en el múltiple de admisión • inyección dentro del cilindro

Método de ignición

• Encendido por chispa con mezcla uniforme • Encendido por chispa con mezcla estratificada

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• Encendido por compresión Diseño de la cámara de combustión

• Cámara abierta en forma de disco • Cámara abierta en forma de lumbrera • Cámara abierta hemiesférica • Cámara abierta con cavidad esférica en el pistón • Cámara dividida con precámaras, cámaras de

torbellinos,etc Método de control de carga

• Control de la mezcla en su conjunto • Control del combustible • Combinación de los dos anteriores

Método de enfriamiento

• Refrigerado por agua • Refrigerado por aire

Si bien todas las clasificaciones anteriores son importantes, para nuestras aplicaciones consideramos el siguiente orden de prioridades : Método de ignición

• Combustible utilizado • Preparación de la mezcla • Diseño de la cámara de combustión • Control de carga • Detalles del proceso de combustión • Emisión • Características de operación

Ciclo de trabajo (2 o 4 tiempos) 1.3 CICLOS DE OPERACION EN MOTORES

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Puntos muertos Inferior ( BC del ingles Bottom center) --------->

Máximo volúmen (V=Vt=Vc+Vd)

Superior ( TC del ingles Top center) ---------->

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Mínimo volúmen (V=Vc)

Vc : volúmen nocivo

Vd : volúmen barrido o desplazado

Relación de compresión :

c

dcc V

VVr

+=

Valores típicos 8 - 12 motores encendido por chispa 12 - 24 motores encendido por compresión Motores alternativos de 4 tiempos (4 carreras en 2 vueltas del cigüeñal)

Carrera de admisión: TC ------> BC

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Ingreso de mezcla fresca al cilindro a través de la válvula de admisión Para aumentar la masa aspirada en general la válvula de admisión abre un poco antes del TC (IVO del inglés Intake Valve Open ) y cierra un poco después del BC (IVC del inglés Intake Valve Close)

Carrera de compresión: BC ---------> TC

Compresión de la masa aspirada a una pequeña fracción de su volúmen inicial. Hacia el final de esta carrera se enciende la mezcla y se produce la combustión de la misma incrementando la presión y la temperatura del cilindro.

Carrera de expansión: TC -----------> BC

Generación de potencia por parte de los gases a alta presión y temperatura que empujan el pistón hacia abajo forzando al cigueñal a rotar. Cerca de 5 veces mayor es el trabajo de expansión respecto al de compresión. Cerca de BC la válvula de escape se abre (EVO del inglés Exhaust valve open) y la presión decae.

Carrera de escape BC ------------> TC

Los gases quemad4os dejan el cilindro debido a que inicialmente la presión del mismo es mayor que la del múltiple y luego cuando las presiones tienden a igualarse el pistón es el encargado de terminar de barrer los gases hasta que la válvula se cierra (EVC del inglés Exhaust valve close)

Motores alternativos de 2 tiempos (2 carreras en 1 vuelta del cigüeñal)

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Carrera de compresión: BC -----------> TC

Cierre de las compuertas de admisión y escape. Comprime la mezcla y dirige parte de la mezcla fresca a la bocha del cigueñal. Cerca del TC se inicia la combustión.

Carrera de expansión: TC -----------> BC

Similar al 4 tiempos hasta que el pistón se acerca al BC descubriendo primero la compuerta de escape y luego la de admisión. Los gases quemados son barridos rápidamente y luego cuando se descubre la puerta de entrada la mezcla fresca previamente comprimida en la bocha del ciegueñal ingresa al cilindro. El diseño del pistón y las compuertas es esencial para deflectar la carga ingresada de forma de empujar los gases residuales hacia la compuerta de salida.

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1.4 COMPONENTES DEL MOTOR

( Fig 1.4 ) 4 tiempos encendido por chispa 4 cilindros en línea

( Fig 1.5 ) 2 tiempos encendido por compresión V8 con barrido unidireccional

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• Cilindros contenidos en el block de fundición gris

Bajo costo Resistente al desgaste

• Pasajes para el agua de refrigeración dentro del block • Motores de prolongada vida útil llevan los cilindros encamisados en el

block • Blocks de aluminio para reducir peso en motores chicos • Bocha del cigueñal de acero forjado o fundición nodular a menudo

integrado al block

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• El cigueñal de N cilindros está soportado a lo sumo por (N+1) cojinetes . • Los cojinetes de biela en bronce o aluminio unen la biela al cigueñal. • La bocha del cigueñal se sella al carter que aloja el lubricante • Pistones de alumino en motores pequeños o fundición en grandes y lentos

motores. • El pistón, generalmente hueco para reducir su peso, cumple la función de

sellar el cilindro y trasmitir la presión del gas generado por combustión al cigueñal a través de la biela.

• La biela generalmente de acero aleado forjada o a veces de aluminio se

halla unida al pistón mediante un cojinete superior de biela. • El movimiento oscilante de la biela ejerce una fuerza oscilante sobre las

paredes del cilindro mediante la pollera del pistón, región ubicada por debajo de los aros. La forma de esta pollera se adapta para proveer adecuadas superficies de empuje.

• El pistón contiene aros encajados en pistas conformadas de forma de

sellar la fuga de gases del cilindro y evitar el paso del aceite de lubricación a la cámara de combustión. Los aros superiores son de compresión mientras que los inferiores raspan los restos de aceite de las paredes y los devuelven al cárter.

• La cabeza de cilindro se fabrica en hierro fundido o aluminio y debe ser

resistente y rígida para distribuir las fuerzas de los gases actuando sobre la cabeza a través de todo el block. Ellas contienen las bujías (motores encendidos por chispa) o los inyectores (encendidos por compresión) y en el caso del diseño de válvulas a la cabeza parte de su mecanismo.

• Las válvulas se fabrican de aleación de acero forjado. Las de escape

operan a 700 grados Celsius y para su enfriamiento se le perfora su tronco y se lo rellena con sodio que se evapora y se condensa transfiriendo calor desde la cabeza de la válvula hacia su tronco.

• Los motores modernos tienden a usar válvulas a la cabeza en lugar del diseño anterior que consistía en una disposición lateral.

• Un árbol de levas fabricado en fundición o acero aleado con una leva por

válvula se usa como mecanismo de apertura y cierre de las válvulas. Este se endurece mediante tratamiento superficial de forma de aumentar su vida útil. En motores de 4 tiempos estos giran a la mitad de las

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revoluciones del motor. La tendencia actual es montar el árbol de levas a la cabeza actuando en forma directa. Su movimiento se origina en el cigueñal y se transmite hacia el árbol de levas mediante engranajes y cadenas o correas de trasmisión.

• Los múltiples de admisión y de escape se fabrican en aluminio o

fundición y sirven para la carga y descarga del fluido de trabajo. • Completan el montaje de un motor encendido por chispa el carburador,

en algunos casos los inyectores, los filtros y el sistema de encendido. 1.5 OPERACION DE UN MOTOR ENCENDIDO POR CHISPA En los motores encendidos por chispa el aire y el combustible se mezclan en el sistema de admisión previo a su entrada en el cilindro, usando un carburador o un sistema de inyección de combustible. A veces se puede controlar la temperatura de la mezcla entrante por contacto del sistema de admisión con el de escape. Relaciones de aire-combustible de 15 son standard para asegurar una combustión eficiente. El carburador es el encargado de dosificar o medir el apropiado flujo de combustible y aire al cilindro. El aire fluye a través de un venturi (tobera convergente divergente) estableciendo una diferencia de presiones entre la entrada y la garganta que a su vez sirve como para bombear combustible de una cámara a la garganta del venturi pasando por una serie de orificios. Aguas abajo del venturi se ubica la mariposa que controla el flujo combinado de aire y combustible y por lo tanto la potencia del motor. El flujo en la admisión varía de acuerdo a la posición de la mariposa que en su posición horizontal (máxima área de pasaje) genera la máxima potencia al régimen de vueltas especificado. Muchas veces el múltiple de admisión es calentado de forma de promover la evaporación y mejor mezclado del combustible en el aire. Un alternativa común al carburador es el sistema de inyección que consiste en inyectar combustible desde un suministro de baja presión a las compuertas de admisión mediante inyectores. Hay varios diseños de sistemas de inyección, mecánicos mediante una bomba manejada por el motor, inyección continua, sistema electrónico e incluso en algunos casos

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en lugar de usar un inyector por cilindro se lo reemplaza por uno solo ubicado arriba de la mariposa en el lugar que ocupa el carburador.

Fig 1.8 muestra la secuencia de eventos que ocurren en el cilindro de un motor de 4 tiempos en función del ángulo del cigueñal que es la variable independiente. En la gráfica superior vemos el reglaje de las válvulas, las distintas carreras y la presión, tanto en el caso de producirse el encendido de la mezcla como en el caso hipotético de no producirse. La figura inferior muestra la evolución del volúmen relativo a su valor máximo y una representación de la fracción de combustible quemada. Con el propósito de mantener buenos niveles de mezcla a altas velocidades la válvula de admisión que normalmente abre antes del TC cierra bastante después del BC. Durante la admisión la mezcla fresca de aire y combustible se junta con los gases quemados residuales,remanentes de la carrera anterior. Una vez que la válvula cierra el contenido del cilindro de comprime por encima de la presión y temperatura atmosférica a medida que el volumen del cilindro se va reduciendo. Si bien existe transferencia de calor de la mezcla no quemada al pistón, cabeza de cilindro y paredes del cilindro, su efecto es pequeño.

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Entre 10 y 40 grados antes del TC se produce una descarga eléctrica a través de los electrodos de una bujía que arranca la carrera de combustión. Esta descarga se produce porque el distribuidor rotante e impulsado por el árbol de levas interrumpe la corriente que llega desde la batería al circuito primario de la bobina de encendida. El secundario conectado a la bujía produce un alto voltaje entre los electrodos proporcional a la variación del campo magnético. Este sistema ahora es reemplazado por circuitos electrónicos que cumplen la misma función. A partir de la descarga eléctrica se produce una llama turbulenta que se propaga a través de la mezcla de aire, combustible y gases residuales por el cilindro, extinguiéndose al llegar a las paredes de la cámara de combustión. La duración del quemado de la mezcla varía de acuerdo al diseño y la operación pero normalmente ronda entre los 40 y los 60 grados de cigueñal. A medida que la masa se quema la presión se incrementa por encima de la presión que se obtendría si el pistón fuera movido externamente sin combustión. Debido a las diferencias en los patrones de flujo y la composición de la mezcla a través de los ciclos encontramos curvas parecidas pero no exactamente iguales. Existe un reglaje óptimo para el avance al encendido que para una dada masa de aire-combustible produce el máximo torque al freno (MBT) . Este reglaje óptimo es una solución de compromiso entre

• comenzar la combustión demasiado temprano cuando existe transferencia de trabajo a los gases

• completar la combustión demasiado tarde en la carrera de expansión

con una disminución de la presión de pico A los 2 / 3 de la carrera de expansión se abre la válvula de escape y debido a que la presión del cilindro es mayor que la del múltiple se produce un barrido. Los gases quemados fluyen a través de las válvulas de escape a los múltiples hasta que la presión se equilibra. Esto depende del nivel de presiones en el cilindro. A posteriori el pistón es el encargado de desplazar los gases quemados del cilindro al múltiple. El reglaje de la válvula de escape es un compromisio entre

• reducción de trabajo al pistón en la carrera de expansión antes del BC

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• reducción de trabajo del pistón después del BC

La válvula de escape permanece abierta hasta después del TC mientras que la válvula de admisión vuelve a abrir antes de TC con lo cual existe un período en el cual ambas están abiertas denominado cruce. Si la mariposa se ubica a baja carga la presión en la admisión estaría por debajo que la del escape produciendo un reflujo en la válvula de admisión apenas esta se abre. 1.6 OPERACION DE UN MOTOR ENCENDIDO POR COMPRESION En los motores a ciclo Diesel o encendidos por compresión la mezcla inducida al cilindro está compuesta enteramente por aire. El combustible se inyecta directamente y por separado al cilindro justo antes que la combustión se inicie. El control de la carga se logra a través del dosaje de la cantidad de combustible inyectado en cada ciclo mientras que el aire para cada régimen permanece invariable. Existe una gran variedad de diseño de estos motores, naturalmente aspirados donde se ingresa el aire en condiciones atmosféricas, turbocargados donde el aire se comprime mediante un dispositivo que consiste en una combinación de una turbina y un compresor manejado por el escape o supercargados donde el aire se comprime mediante una bomba o un soplador. De esta forma se puede incrementar la cantidad de aire y por ende de combustible a ser ingresado por ciclo logrando mejores potencias o disminuyendo peso y costo para una dada potencia. El motor de 2 tiempos es competitivo con el de 4 tiempos en motores chicos. En el caso de grandes motores sólo son comparable si se trata de motores encendidos por compresión (Diesel).

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La operación de un motor Diesel típico de 4 tiempos naturalmente aspirado se ilustra en la figura 1.15. La relación de compresión es muy superior al caso de motores encendidos por chispa cubriendo un rango entre 12 y 24 dependiendo del tipo de motor y si es naturalmente aspirado o turboaspirado. Los reglajes de las válvulas son similares a los de encendido por chispa En la carrera de compresión el aire alcanza 4 Mpa y 800 grados Kelvin de presión y temperatura como muestra la figura y aproximadamente 20

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grados antes de TC se inyecta el combustible.lA figura (b) muestra un típico perfil de inyección. El jet de combustible líquido se atomiza formándose una mezcla de burbujas de combustible y aire. De esta forma el combustible líquido se evapora y se mezcla con el aire en ciertas proporciones. La presión y la temperatura del aire están por encima del punto de ignición del combustible asi que en cuanto se alcanza una composición adecuada (retardo de tiempo) se produce el espontáneo encendido (autoencendido) de una mezcla heterogénea y la presión en el cilindro se incrementa notablemente como lo muestra la figura (c). La llama se dispersa rápidamente en las zonas donde la mezcla está lista para encenderse y el fenómeno prosigue como lo muestra la figura (d). El escape es similar al caso encendido por chispa. En el caso de motores de 2 tiempos encendidos por compresión las carreras de compresión, inyección de combustible, combustión y expansión son similares a lo ya visto para el motor de 4 tiempos, lo que difiere es la admisión y el escape. En la figura 1.16 vemos la secuencia de eventos en un Diesel 2 tiempos con barrido tipo lazo.

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En este diseño las compuertas de admisión y escape se ubican en posiciones análogas de la carrera del pistón y se descubren cuando el pistón se aproxima al BC. Una vez que la compuerta de escape abre la presión en el cilindro cae rápidamente durante el barrido, luego abre la de admisión y una vez que la presión cae por debajo de la correspondiente a la admisión el aire ingresa al cilindro. Los gases quemados son desplazados hacia la salida por la masa de aire que ingresa y luego se produce el cierre de la admisión y el del escape. 1.7 EJEMPLOS DE MOTORES ENCENDIDO POR COMPRESIÓN

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Una gran variedad de configuraciones de motores Diesel existen en la actualidad. En general los grandes motores marinos o los motores de generación de potencia estacionarios son Diesel 2 tiempos. Los pequeños y de mediano tamaño pueden ser 2 o 4 tiempos. Siendo la capacidad de aspirar aire una de las principales limitaciones a la cantidad de combustible a quemar y por lo tanto a la potencia a obtener la sobrealimentación o la turboaspiración son bastante comunes. Los detalles de diseño pueden ser muy variados dependiendo del tamaño, siendo los más importantes la geometría de la cámara de combustión así como las características del sistema de inyección. En ambos casos el objetivo es alcanzar tiempos de mezclado y de quemado comparables con los tiempos disponibles por la operación. En este ítem podemos ver diferencias en:

• geometría del puerto de admisión • geometría de la cabeza de cilindro • geometría de la cabeza de pistón • patrones de inyección

Aplicaciones en vehículos pesados pueden requerir motores Diesel con mas de 10 litros de cilindrada, relaciones de compresión mayor que 16:1 con altos niveles de presión en cámara. En general estos motores están dotados de un sistema de inyección directa (DI) a diferencia de aquellos motores más chicos y ligeros, en general para automóviles, que suelen tener un sistema de inyección indirecta (II) con relaciones de compresión mayores, del orden de 23:1, necesario para arrancar en frio. En cuanto a la inyección existe

• inyección directa: donde el inyector suministra el combustible directamente en la cámara de combustión, por lo general apuntando a la cabeza del pistón que suele tener un cavidad “bowl in piston”. A su vez al aire se le suele suministrar un movimiento de swirl a su ingreso mediante un adecuado diseño del puerto de admisión y la válvula. Los inyectores están formados por una o varias toberas que puede orientar a su vez el ingreso de combustible respecto a la orientación del eje del inyector de forma de generar una lluvia de gotas de combustible, mas favorable para su pronta vaporización.

• Inyección indirecta: En aplicaciones donde el motor gira más rápido

los tiempos disponibles para el mezclado y su quemado son menores por lo cual se debe garantizar esto usando un inyección indirecta en una cámara auxiliar o precámara. Durante la admisión el aire y el

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combustible son forzados a ingresar, el aire a través de la válvula hacia la cámara de combustión y el combustible a través del inyector a la precámara. Durante la compresión el aire es empujado por el pistón hacia la precámara y la mezcla es potenciada. La combustión se inicia en la precámara y el incremento de presión allí fuerza a los gases quemados, al combustible y al aire a salir hacia la cámara de combustión en forma súbita, turbulenta. De esta manera se logra buenas tasas de mezclado y de quemado.

Otro detalle relevante de los motores Diesel se debe al tipo de refrigeración que usan. Antiguamente la mayoría eran refrigerados por agua pero esto redunda en un mayor peso, máxime pensando en que debido a las grandes presiones los espesores de las paredes del block por donde pasan los canales de refrigeración no pueden ser muy delgados. La refrigeración por aire se logra añadiendo aletas exteriores al block de forma de aumentar la superficie de intercambio térmico con el aire externo. A veces se suele agregar un soplador de aire para reforzar la evacuación del calor 1.8 MOTORES DE CARGA ESTRATIFICADA Desde 1920 se han hecho muchos intentos de desarrollar motores de combustión interna híbridos que combinen las ventajas de los motores encendidos por compresión y de aquellos encendidos por chispa. La idea es operar el motor en un rango de relaciones de compresiones (entre 12:1 y 15:1) donde la eficiencia sea alta y la misma empiece a saturarse mediante:

• Inyección del combustible directamente en la cámara de combustión durante la carrera de compresión evitando el autoencendido típico de motores encendido por chispa con altas relaciones de compresión.

• Encendido del combustible a medida que se mezcle con el aire usando una bujía para proveer un control directo del proceso de ignición.

• Controlar la potencia liberada por el motor variando la cantidad de combustible inyectado por ciclo con el aire a mariposa abierta siempre para minimizar el trabajo de bombeo de la mezcla fresca al cilindro.

Estos motores se denominan de carga estratificada porque la mezcla aire-combustible se forma en estratos de diferentes concentraciones y riquezas y el diseño de la cámara y la inclusión de la bujía de ignición permiten lograr las riquezas adecuadas para un eficiente encendido de la mezcla. De esta forma se evita el inconveniente de la detonación pudiendo usarse combustibles muy variados y por otro se evita un inconveniente de muchos motores Diesel asociado con la calidad del encendido de la mezcla y la posterior formación de hollín y material particulado.

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Motores de carga estratificada también suelen diferenciarse por la forma de inyección en directa e indirecta.

1.9 PREDICCIÓN DE LA PERFORMANCE DE UN MOTOR MEDIANTE MÉTODOS NUMÉRICOS La predicción de la performance de un motor de combustión interna es un tema de gran importancia que hasta los años 70 había sido logrado solo mediante métodos experimentales. Debido al gran desarrollo de hardware y software para las computadoras de alta velocidad que existen en la actualidad y debido al gran avance orientado hacia la modelización de

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fenómenos físicos y procesos ingenieriles cada vez más complejos mediante técnicas numéricas hoy es posible abordar la desafiante tarea de predecir la performance de una máquina térmica mediante su simulación computacional. Este análisis de la performace de un motor de combustión interna permite predecir el comportamiento en potencia y torque de un motor con el fin de asistir al ingeniero en la etapa de diseño. Esta asistencia es de extremada importancia debido a la gran cantidad de parámetros que influyen sobre el comportamiento de este tipo de máquinas, permitiendo ahorrar materiales y tiempo de ensayo de motores antes de definir los últimos detalles que incluyen la prueba final en un banco de pruebas. La performance no es el único tema de importancia en el diseño de motor de combustión interna, en la actualidad existen fuertes reglamentaciones ambientales que restringen las emisiones a valores críticos, muy inferiores a los habituales con los cuales se concibieron los automóviles de las últimas décadas. Este tema de alto impacto social requiere de herramientas de cálculo mucho más poderosas que aquellas de uso corriente. Predecir emisiones implica conocer con más detalle ciertos fenómenos físicos de alta complejidad como la combustión y la turbulencia, dos temas entre muchos otros que en la actualidad están en una creciente etapa de investigación. Otro fenómeno de importancia en el funcionamiento de motor de combustión internas es el relacionado con la admisión y el escape. El efecto del diseño de los múltiples de admisión y escape sobre la potencia y el nivel de emisión puede calcularse mediante técnicas del tipo CFD (Computational Fluid Dynamics). Los elementos esenciales involucrados en la predicción de la performance de un motor pueden clasificarse en:

• caracterización y modelización del fluido activo, • modelización de la fluidodinámica del fluido activo, • modelización de la combustión y la transferencia de calor dentro del

cilindro, • modelos integrados para la simulación de motor de combustión

internas. Estos temas serán uno a uno abordados a lo largo de este trabajo con el fin de brindar una introducción a la modelización de un motor de combustión interna. 1.9.1.- Caracterización y modelización del fluido activo La combustión de la mezcla aire y combustible dentro del cilindro de un motor de combustión interna y el fenómeno de transferencia de calor hacia el exterior son algunos de los procesos más importantes para el control de la potencia obtenida por la máquina así como para la eficiencia y el nivel

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de emisiones. Hablar de combustión y de transferencia de calor implica necesariamente conocer en algún grado de detalle la composición de la mezcla reactiva instante a instante con el fin de evaluar las reacciones químicas que se producen así como estimar las propiedades de la mezcla tanto termoquímicas como las de transporte. El fluido activo, nombre que se le suele dar al fluido contenido dentro del cilindro, y sus propiedades juegan un rol importante en las predicciones a realizar en un motor de combustión interna. Es importante por lo tanto incluir su tratamiento para poder pasar de las predicciones simples hechas sobre la base de una mezcla gaseosa sencilla (ciclos de aire) a modelos mucho más sofisticados donde se pretende incluir el modelado de la combustión. En resumen todas las simulaciones a realizar sobre motor de combustión internas requieren de modelar el fluido activo o de trabajo y los procesos que ocurren dentro del cilindro. 1.9.2.- Modelización de la fluidodinámica del fluido activo Es bien conocida la influencia que ejerce la mezcla aire, combustible y gases residuales sobre la performance básica de un motor de combustión interna. Un motor naturalmente aspirado no puede superar valores de bmep de aproximadamente 7 bars ya que existe una barrera en la masa de aire a aspirar que limita la cantidad de combustible que es factible quemar. Por otro lado si uno incluye un sistema de turboaspiración este valor de bmep puede aumentarse al doble con valores de presión en el múltiple de aspiración próximos a 2.5 bars. Este tipo de asistencia forzada a la aspiración de un motor de combustión interna no es la única forma de aumentar la cantidad de aire ingresada. Es bien conocido el efecto que producen las ondas de presión en los múltiples que producen interferencias positivas o negativas que aumentan o disminuyen la capacidad de un motor de aspirar aire. Diseñando en forma adecuada el sistema de múltiples de admisión y escape hace factible un aumento sustancial del rendimiento volumétrico con lo cual se pone de manifiesto la importancia vital que tiene el flujo de fluido activo en la performance de un motor de combustión interna. Por otro lado el diseño de la tapa de cilindros, especialmente la zona cercana a las válvulas modifica sustancialmente el caudal másico de aire capaz de ingresar al cilindro durante el tiempo en el que permanece abierta la válvula de admisión. Del mismo modo con la válvula de escape hay una necesidad imperiosa de barrer al máximo todos los residuos de combustión de forma de que la mayoría del volumen de la cámara de combustión quede libre para el aire que pretende ingresar. Poder analizar el flujo de gases, tanto de la mezcla ingresada como de los productos de la combustión es muy importante para poder incluirlos en un programa que permita predecir las curvas características de un motor de combustión interna. Hay muchas formas de analizar su dinámica, con modelos que van desde los más sencillos a otros

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mucho más complicados. En principio podríamos clasificar a los mismos de acuerdo a su complejidad en forma decreciente en:

• métodos del tipo CFD, • métodos de acción ondulatoria, • métodos de llenado y vaciado, • métodos cuasi-estacionarios.

1.9.2.1.- Métodos del tipo CFD Este tipo de análisis es el más complejo y costoso desde el punto de vista computacional. Es comúnmente aplicado a algunos accesorios en particular y en la actualidad difícilmente pueda resolverse todo un motor entero con este tipo de estrategia. Por ejemplo, se suelen ver resultados aplicando técnicas del tipo para resolver la fluidodinámica dentro del cilindro o la fluidodinámica alrededor de las válvulas o incluso analizar el flujo en los múltiples. Esta estrategia consiste en resolver las ecuaciones de conservación de masa, momento, energía y el transporte de algunas especies en un dominio en general tridimensional y no estacionario. A veces se suele simplificar el problema tratándolo como uno estacionario donde la variación temporal es despreciada. A estas ecuaciones de conservación muchas veces se le agregan algunas ecuaciones adicionales para modelar la turbulencia, la combustión, la cinética química, el mezclado de jets de combustibles desde los inyectores, etc. Todo esto redunda en problemas excesivamente voluminosos que pueden ser solamente abordados en supercomputadoras. En el caso de flujo dentro del cilindro una posible simplificación que suele hacerse es tratar el problema como axisimétrico, asumiendo algunas particularidades sobre la geometría de la cámara de combustión. En el caso de flujo en múltiples difícilmente se recurra a este tipo de estrategia por razones de costo salvo para algunos accesorios como uniones de tubos, tapas de cilindros, etc, donde el flujo es completamente tridimensional. En el resto de las situaciones se plantean modelos más sencillos como los que mencionamos a continuación. 1.9.2.2.- Métodos de acción ondulatoria Este tipo de estrategia de análisis consiste en resolver las ecuaciones de flujo de gases permitiendo que las variables tengan variación espacial solo en una dirección, la dirección del flujo, y asumiendo que en la sección transversal se realiza una especia de promedio espacial de las variables de cálculo. Las ecuaciones resultantes, no estacionarias, conforman un sistema de ecuaciones diferenciales a derivadas parciales del tipo hiperbólico que por tal motivo tienen ciertas particularidades en cuanto a

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su tratamiento matemático y numérico. Este tipo de análisis es de gran importancia en la predicción de la performance de ciertos tipos de motores, como por ejemplo en motores nafteros pequeños de 2 tiempos donde la sintonía de los múltiples es esencial, en motores multicilíndricos con múltiples de tramos largos o en aquellos que poseen gran interferencia entre los cilindros. Esta estrategia puede ser aplicada con mucho provecho en la etapa inicial del diseño para detectar posibles resonancias ventajosas y desventajosas en todo el rango de carga y velocidad del motor. Esto puede prevenir una mala distribución de la carga entre los cilindros o una reducción en la performance del motor por una mala capacidad de aspiración. Este tipo de análisis data del siglo 19 cuando Rayleigh estudió el problema fundamental de flujos con ondas finitas u ondas viajeras en una dimensión. Posteriormente se recurrió a métodos gráficos para obtener soluciones cuando el flujo se podía considerar homentrópico. A medida que se iba complicando más el problema, incluyendo irreversibilidades en el flujo o condiciones de contorno más complicadas los métodos gráficos se hacían muy tediosos y hacia mediados de este siglo estos dieron paso al método de las características, una forma analítica simple de resolver este problema que por ese tiempo solo necesitaba de tiempo humano de cálculo para llegar a una solución. Este método, al igual que los métodos gráficos se basaban en seguir el camino de cada una de las ondas presentes en el problema y definir modelos para su interacción con los extremos de los conductos, ya sea con la atmósfera o con cualquier otro dispositivo que pudiera estar presente. Posteriormente y con el advenimiento de las computadoras surgieron otras formas de resolver este problema, primitivamente mediante diferencias finitas a la cual se le sumaron el método de los elementos finitos y el método de los volúmenes finitos. Con cualquiera de todos estos métodos es factible lograr buenas soluciones que permiten resolver el problema de la dinámica de gases en conductos, con su aplicación a motores naturalmente aspirados como a aquellos sobrealimentados. Del mismo modo es factible incluir varios otros componentes o accesorios como uniones, válvulas, turbinas, compresores, convertidores de pulso, carburadores e incluso cilindros, con lo cual es factible armar un sistema que incluya casi todos los componentes propios de un motor de combustión interna. La gran ventaja de este método es su habilidad para detectar resonancias, detectar las razones del mal funcionamiento de un sistema y ayudar a mejorarlo. 1.9.2.3.- Métodos de llenado y vaciado Los métodos de llenado y vaciado consisten en considerar que los múltiples son modelados mediante vo lúmenes fijos con lo cual tienen capacidad para almacenar gas pero no pueden ser capaces de mostrar variaciones de presión y temperatura a lo largo de la dirección de flujo como es el caso del método de acción ondulatoria ya que estas variables se

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consideran concentradas en el centro geométrico del volumen. De esta forma se hace imposible detectar resonancias o malas distribuciones de mezclas entre los múltiples. Esto redunda en un sistemas de ecuaciones diferencias ordinarias (ODES) cuya única variable independiente es el tiempo. No obstante tienen su utilidad, especialmente cuando estamos interesados en la respuesta temporal del sistema incluyendo los múltiples en el análisis pero sin aumentar demasiado el costo computacional. 1.9.2.4.- Métodos cuasi-estacionarios Este método es el más simple de todos los anteriormente mencionados y se basa en considerar cada accesorio como un componente de una red despreciando el volumen de los múltiples. De esta forma el sistema del motor es análogo a un circuito eléctrico donde los componentes funcionan como resistencias no lineales. El caudal másico y la presión actúan como la corriente y el voltaje en un circuito eléctrico siendo las ecuaciones a resolver todas del tipo algebraico salvo cuando se quiere estudiar la dinámica del sistema lo cual da aparición a un término en derivada temporal que se agrega y transforma el anterior sistema en uno de ecuaciones diferenciales ordinarias. Si bien estos métodos son muy simples y muy rápidos desde el punto de vista computacional, tienen la dificultad de requerir bastante información externa que es factible de obtener mediante datos experimentales, muchas veces difíciles de obtener. 1.9.3.- Modelización de la combustión y la transferencia de calor dentro del cilindro {El principal propósito de cualquier motor de combustión interna es el eficiente desarrollo de potencia en el eje del cigueñal a partir de la energía química del combustible utilizado en su funcionamiento. El mecanismo de conversión se denomina combustión, la oxidación del combustible para producir dióxido de carbono y agua. No obstante la oxidación completa es muy difícil} de ser lograda debido a:

• la limitada velocidad de las reacciones químicas que participan de la combustión,

• al breve tiempo en el que esta se lleva a cabo, • a la disociación que está siempre presente y • a la enorme dificultad de lograr un mezclado perfecto de toda la

masa de aire con el combustible. El proceso de la combustión puede analizarse en un amplio rango de detalle, desde los modelos más simples que se basan en considerar que esta es únicamente una fuente de calor y los cuales requieren de

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información empírica a aquellos modelos muy complejos que incluyen en el análisis el mezclado turbulento para describir el proceso físico que tiene lugar en toda la cámara de combustión. Aquí nuevamente, y como vimos en el caso de la modelización del flujo del fluido activo, podemos recurrir a métodos simples o termodinámicos o a aquellos más complejos del tipo CFD para resolver el problema. En el medio existe toda una zona gris donde se pueden plantear modelos intermedios entre los cuales una de las metodologías más usadas es la de dividir a la cámara de combustión en varias zonas, desde 2 en adelante. De esta forma se estudia por separado lo que sucede en zonas cubiertas por mezcla no quemada a zonas donde existen productos de la combustión, con zonas intermedias y adicionales que consideran lo que sucede en las inmediaciones del frente de llama. En motores a inyección se usual dividir la cámara en varias zonas como si fueran capas layers alrededor del jet líquido. Por la excesiva temperatura reinante en la cámara de combustión una gran proporción de la energía disponible en el combustible se pierde a través de los contornos del cilindro. Esta pérdida de calor afecta la eficiencia del motor y genera enormes esfuerzos térmicos en los componentes. Al igual que en todo lo que hemos venido presentando el grado de detalle del modelo puede ser variado, siendo su elección acorde a los otros modelos empleados para los restantes fenómenos a tratar. La distribución espacial de la temperatura así como lo flujos térmicos pueden ser obtenidos mediante técnicas del tipo CFD. Sin necesidad muchas veces de recurrir a tan costosa empresa podemos emplear modelos simples muchos de ellos semi-empíricos y basados en el ajuste de ciertos coeficientes dependientes del rango de operación y tipo de motores. Finalmente, dentro del cilindro, las condiciones reinantes son turbulentas. Esto ha llevado al desafiante trabajo de observarla, predecirla, modelarla. Es bien sabido de las dificultades que tiene un fluidodinamicista de interpretar la turbulencia aún en los ensayos de laboratorios más sencillos. Anemometría de hilo caliente y laser Doppler son dos de las técnicas más utilizadas para medir la turbulencia en forma experimental. A pesar de contar con muchos resultados experimentales la interpretación de los mismos es muy complicada y su modelación aún más siendo el carácter tridimensional de la turbulencia y su diversidad de escala los principales factores que restringen su análisis debido a la escasez de recursos computacionales para tal magnitud de problema. En el caso de motor de combustión internas hay que agregar a todo lo anterior la desventaja de contar con una escala de tiempo física muy reducida lo cual complica aún más el problema. 1.9.4.- Modelos integrados para la simulación de motor de combustión internas

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La modelización de motor de combustión interna es una tarea interdisciplinaria que involucra áreas como:

• termodinámica química, • mecánica de fluidos, • turbulencia, • transferencia de calor, • combustión y • métodos numéricos.

En los capítulos venideros trataremos de presentar los principales fundamentos y modelos capaces de reproducir el funcionamiento completo de un motor de combustión interna. La selección y el uso de un modelo matemático de un motor de combustión interna depende de los fenómenos que el investigador desea resolver y de los recursos computacionales con que cuenta. Una estimación preliminar acerca de la eficiencia térmica de un motor y la potencia de salida a obtener puede alcanzarse mediante los simples ciclos standard de aire en el cual se desprecia:

• el intercambio de gases con la atmósfera, • las pérdidas de calor por las paredes y • las variaciones de las propiedades del aire con la temperatura,

además del hecho de considerar que en todo instante

• el fluido activo es aire y • la combustión se simula con un aporte de calor externo.

Mejores estimaciones pueden lograrse introduciendo la termoquímica, o sea el manejo de un conjunto de especies y las reacciones químicas que se establecen durante todo el ciclo estableciendo condiciones de equilibrio químico a la hora de calcular las proporciones de cada una de ellas. De esta forma es posible obtener las propiedades de la mezcla a partir de la de cada una de las especies que la integran. De todos modos ambos modelos sobreestiman el pico de presión y temperatura al despreciar las pérdidas térmicas que ocurren en el motor y porque simulan la combustión como un proceso que ocurre a volumen o a presión constante dependiendo del tipo de motor a analizar. Empezando por aquí es factible comenzar a introducir efectos que complican un poco más el escenario hasta alcanzar aquellos modelos matemático más complejos donde se tiene en cuenta:

• la variación espacial y temporal de las principales variables, temperatura, presión y composición de la mezcla,

• los flujos térmicos, • el proceso de intercambio de gases con la atmósfera,

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• el flujo en los múltiples y alrededor de las válvulas, etc. Los modelos tienen muchos ingredientes generales a todos los motores, pero cuentan con algunos que dependen del tipo de motor que estemos tratando, sea de 2 o 4 tiempos, encendido por chispa o por compresión, alternativo o rotativo, etc. Los modelos que tratan todos estos diferentes tipos de motores se clasifican en:

• modelos termodinámicos o cerodimensionales, • modelos dimensionales.

Los primeros resuelven el problema tomando como variable independiente solamente al tiempo mientras que los segundos incluyen las coordenadas espaciales dentro del análisis. Los modelos termodinámicos, cuando aplicados al estudio de los fenómenos que ocurren en el interior de un cilindro se los suele dividir en:

• modelos de una zona, • modelos multizonales.

Los primeros pueden ser interpretados como una extensión de los modelos de aire generalmente tratados en la mayoría de los cursos de grado sobre motores y los cuales consideran que la temperatura, la presión y la composición de la mezcla están uniformemente distribuidas en el espacio. La diferencia respecto a los modelos de aire radica en el posible tratamiento de:

• mezclas de gases con propiedades dependientes con la temperatura y la presión,

• la inclusión de pérdidas térmicas mediante modelos de convección y/o radiación,

• la actualización de la mezcla mediante el manipuleo de una serie de reacciones químicas bien representativas de la combustión,

• su corrección por efectos turbulentos y en algunos casos • la inclusión del proceso de intercambio de gases con modelos que

calculan el flujo a través de las válvulas. En general los modelos de una zona encontrados frecuentemente en la bibliografía utilizan para la combustión o una fuente de calor liberado por la misma o una ley de tasa de combustible quemado. En el primer caso es factible estimar el calor liberado si uno dispone de diagramas indicados medidos experimentalmente mientras que los basados en una ley de quemado asumen que conociendo la cantidad de combustible que se va quemando instante a instante es factible traducirla en calorías/hora a

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través del poder calorífico del combustible. Estos modelos no incluyen el avance del frente de llama. Los modelos multizonales en motores de carga homogénea consideran que el mecanismo de propagación de la llama a través de la carga del cilindro divide a la cámara de combustión en tres partes:

• una zona con mezcla fresca o no quemada, • otra con productos de la combustión y • una intermedia donde se desarrollan la gran mayoría de las

reacciones termoquímicas. La velocidad de avance del frente de llama se puede calcular a partir de:

• la presión y la temperatura reinante en el cilindro, • del régimen del motor, • de la intensidad de turbulencia y • las longitudes de escala.

La velocidad de avance de la llama o la tasa de quemado se puede también calcular mediante modelos fenomenológicos que tienen en cuenta el ingreso de la mezcla fresca en la zona del frente de llama, el mezclado de la misma y su combustión siendo estos efectos dependientes muy fuertemente del nivel de turbulencia que se e stima mediante modelos sencillos. En la actualidad el nivel de desarrollo de modelos matemáticos para la turbulencia está en muchos casos en una etapa bastante lejana de la realidad física. La mayoría de los estudios que se han llevado a cabo al respecto dan cuenta de flujos con capas de corte bien delgadas incompresibles y estadísticamente estacionarios. En un motor de combustión interna los flujos son compresibles con grandes zonas de recirculación caracterizados por líneas de corriente de gran curvatura y no son estadísticamente estacionarios. Con el desarrollo actual de la simulación computacional es imposible resolver este complejo problema y por lo tanto lo primero que se intenta es promediar. Una promediación temporal para la turbulencia es posible en aquellas situaciones donde la escala de tiempos de la turbulencia es mucho menor que aquella asociada con los efectos transitorios del flujo medio. Estos flujos suelen llamarse estadísticamente estacionarios. En el caso de los motor de combustión internas los tiempos de relajación de la turbulencia son del mismo orden que el período de los ciclos de funcionamiento de este tipo de máquinas por lo que las promediaciones a efectuar deben ser tomadas sobre intervalos bastante mas chicos con lo cual se introduce una dificultad adicional al problema ya que existen muchos modelos que solo valen para flujos estadísticamente estacionarios. En estos casos se debe recurrir a modelos que utilicen filtros que permitan el tratamiento de aquellas frecuencias circulares que sean del orden de las del régimen de giro del

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motor. Una dificultad adicional existe por el hecho que los flujos son químicamente reactivos. Los modelos de combustión más conocidos son:

• modelos de velocidad de reacción media • modelos de mezclado controlado • modelos híbridos

La diferencia se halla en los tiempos característicos de reacción química frente a los de relajación turbulenta. En los primeros modelos se asumen que la reacción es mucho más lenta que la turbulencia mientras que los siguientes asumen que el mezclado es más lento. Finalmente el tercer modelo es uno intermedio entre los dos anteriores. Los modelos para carga estratificada necesitan una mención aparte, ya sea en el caso de ciclos Diesel como en el caso de Otto con inyección. En estos casos son muy usuales los modelos multizonales ya que los de una sola zona carecen de sentido físico. Lo que suele hacerse es dividir el jet de combustible en varias capas y seguir la evolución temporal

• del aire que ingresa en la zona de combustión, • el combustible líquido que se va vaporizando, • el mezclado de ambos y finalmente • su combustión.

Otros temas de interés son:

• la atomización del combustible, • la modelización del spray, • la interacción de la turbulencia con las gotas, • el tratamiento de sprays de lgados y gruesos y finalmente • la cinética química en la generación de hollín y el material

particulado. Los modelos dimensionales, a diferencia de los termodinámicos, incorporan dentro del conjunto de variables independientes a las coordenadas espaciales. Si bien este tipo de estrategia de cálculo ha sido ampliamente difundida en aerodinámica e hidrodinámica y actualmente se la identifica como una disciplina en particular que lleva el nombre de CFD. Su inserción dentro de esta temática ha sucedido recién en los últimos años debido al gran desarrollo en materia de hardware. Debido al excesivo grado de detalle que es propio de este tipo de estrategia de cálculo y sumado a aquella que se requiere en las aplicaciones que nos preocupan su tratamiento solo es factible de ser llevado a cabo en algunos componentes del motor. Por ejemplo es muy habitual encontrar estudios hechos para el flujo dentro del cilindro o el

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flujo circulando en las proximidades de las válvulas, o incluso en las uniones y bifurcaciones en múltiples de admisión y/o escape. En algunas situaciones, especialmente aquella en la que no se disponen de adecuados recursos computacionales es necesario introducir simplificaciones. Uno de los recursos más explotados ha sido el de disminuir el espacio dimensional con hipótesis de tipo axisimétrica o incluso hasta unidimensional. En estos casos el volumen de cálculo cae bruscamente y es posible hallar algunas soluciones que deben ser analizadas con cuidado debido a la simplificación hecha.