Proceso de Admisión y Escape en Motores 4T

Componentes del Sistema

El sistema de admisión típico consiste en un filtro de aire, un carburador y la válvula de mariposa, o un inyector y válvula de mariposa en la admisión por cada cilindro o una general para todos. El sistema de escape típico consiste en un colector de escape, tubo de escape, un catalizador para la limpieza de elementos contaminantes y un silencioso para la eliminación de ruidos.

La caída de presión (P) en el sistema de admisión del motor depende de:

• Las revoluciones del motor.
• La resistencia del flujo en los distintos componentes.
• La sección de paso para el flujo de carga fresca.
• La densidad de la carga.

Diagrama de Distribución y Tiempos de Válvula

Las válvulas de admisión se abren antes de que el pistón llegue al Punto Muerto Superior (PMS) en la carrera de escape (Adelanto de Apertura de Admisión – AAA) y se cierran después de que el pistón llegue al Punto Muerto Inferior (PMI) en la carrera de admisión (Retardo de Cierre de Admisión – RCA).

Las de escape se abren antes de que el pistón llegue al PMI en la carrera de expansión (Adelanto de Apertura de Escape – AAE) y se cierran después de que el pistón llegue al PMS en la carrera de escape (Retardo de Cierre de Escape – RCE).

La apertura del escape se realiza de 40° a 60° antes del PMI. Hasta que el pistón llega al PMI, los gases salen debido a la diferencia de presión entre el interior del cilindro y el conducto de escape. Cuando el pistón empieza a moverse hacia el PMS, empuja los gases producto de la combustión hacia el conducto de escape. Las válvulas de escape cierran después de que el pistón llegue al PMS (de 15° a 30°).

Cruce de Válvulas

Las válvulas de admisión abren antes de que el pistón llegue al PMS. Debido a esto, hay una fase en la que las válvulas de admisión y escape están abiertas al mismo tiempo (cruce de válvulas). Debido a esto, es posible que los gases de escape en algún momento puedan pasar parcialmente a la admisión. Según el pistón se mueve hacia el PMI, disminuye la presión en el interior y la carga fresca fluye al interior del cilindro. Cuando el pistón empieza a subir hacia el PMS, todavía el cilindro se puede seguir llenando debido a la inercia de la carga fresca. Así, las válvulas de admisión se suelen cerrar de 50° a 70° tras el PMI.

Rendimiento Volumétrico (Motores 4T)

Definición

Se emplea en Motores de Combustión Interna Alternativos (MCIA) de 4 tiempos para definir la perfección del sistema en el proceso del llenado del cilindro con carga fresca.

En el caso de que la densidad ρ_a,0 sea en condiciones atmosféricas, el rendimiento volumétrico es el rendimiento volumétrico global. Para el caso de motores sobrealimentados, esas condiciones de la carga fresca se han de tomar en el colector de admisión. En el caso de tomarse en el colector de admisión, se evalúa sólo la efectividad del puerto de admisión, del cilindro y de la válvula.

Factores Influyentes

El rendimiento volumétrico depende fundamentalmente de los siguientes parámetros:

1. Tipo de combustible, relación combustible/aire, fracción de combustible vaporizado en el sistema de admisión y el calor latente de evaporación.
2. Temperatura de la mezcla, influenciada por la transmisión de calor.
3. Relación entre las presiones de los colectores de admisión y escape.
4. Relación de compresión.
5. Régimen de giro del motor.
6. Geometría de las válvulas de admisión y escape, tamaño, alzada y diagrama de distribución (momentos de apertura y cierre).

Efectos Cuasi-Estáticos

Se puede definir el rendimiento volumétrico de un ciclo ideal en función de la presión de admisión P_i, temperatura T_i y la relación combustible/aire (F/A), relación de compresión r_c, presión de escape P_e y peso molecular M y coeficiente politrópico del fluido del ciclo γ.

Efecto de la Composición del Combustible y de la Relación Combustible/Aire

En un Motor de Encendido Provocado (MEP), la presencia de combustible en fase gaseosa y el vapor de agua reducen la presión parcial del aire en la mezcla de carga nueva. Debido a esto, el efecto del combustible vaporizado, y en consecuencia de la mezcla combustible/aire, es pequeño. Para el caso de MEP con combustibles gaseosos, el rendimiento volumétrico se ve disminuido de forma significativa por la presencia del combustible gaseoso en la mezcla de admisión.

Fracción de Combustible Vaporizado, Calor de Vaporización y Transferencia de Calor

Para el caso de MEP, el combustible se ha de vaporizar antes de entrar al cilindro. Para pasar de fase líquida a gaseosa, el combustible ha de tomar calor del entorno, esto es, ha de tomar calor del aire de admisión. Al tomar calor del aire, la mezcla se enfría. Al evaporarse el combustible, se reduce la presión parcial del aire en la mezcla, lo que disminuye el rendimiento volumétrico. Sin embargo, el enfriamiento de la mezcla supera el efecto negativo de la reducción de presión parcial, con lo que la vaporización del combustible incrementa el rendimiento volumétrico. La mezcla de carga fresca o aire (en Motores de Encendido por Compresión – MEC) recibe calor de los conductos de admisión, lo que hace que se incremente su temperatura.

Variación con la Velocidad, Área, Alzada y Momento de Cierre y Apertura

Los efectos del flujo en el rendimiento volumétrico dependen de la velocidad de la mezcla en el colector de admisión, conducto de admisión y válvula. Las velocidades de la mezcla en el sistema de admisión serán casi proporcionales a la velocidad lineal media del pistón. En consecuencia, la comparación de los rendimientos volumétricos para diferentes motores debería realizarse a las mismas revoluciones.

Los rendimientos volumétricos suelen ser inferiores para MEP debido a los siguientes factores:

• Pérdidas de carga en carburador (si lo tuviera) y válvula de mariposa.
• Calentamiento en colector de admisión.
• Presencia de vapor de combustible.
• Fracción de gases residuales superior (de anteriores ciclos).

Factores que Afectan la Curva de Rendimiento Volumétrico vs. Velocidad

Esta curva muestra, de forma esquemática, cómo varía el rendimiento volumétrico con la variación de velocidad de giro para cada uno de los fenómenos descritos hasta ahora:

1. Los efectos no dependientes de las revoluciones (tales como la presión de vapor) hacen disminuir el rendimiento a un valor inferior al 100% (100% → recta A).
2. El calentamiento de la carga en la admisión y el cilindro hacen caer el rendimiento a la curva B (A → B). Tiene mayor efecto a bajas revoluciones porque el gas va a menor velocidad y permanece más tiempo en los conductos, con lo que se calienta más.
3. Las pérdidas por fricción se incrementan con el cuadrado de la velocidad (B → C).
4. A mayores velocidades se produce la contracción de la vena fluida, con lo que mayores incrementos de velocidad no incrementan el flujo de carga al cilindro y el rendimiento volumétrico cae aún más (C → D).
5. El efecto de empuje del fluido (inercia) al final de la carrera de admisión causa que el rendimiento volumétrico se incremente a altas velocidades (D → E). La energía cinética del fluido se transforma en energía de presión al final de la admisión, incrementando la densidad y el llenado.
6. El retardo del cierre de la admisión causa que a bajas velocidades, debido al flujo de carga de retorno, el rendimiento volumétrico disminuya (C, D → F).
7. Por último, el ajuste correcto de las aperturas y cierres de admisión puede causar que el rendimiento volumétrico se vea incrementado de forma ostensible en revoluciones intermedias (F → G).

Influencia del Cierre de Válvulas y Diseño de Conductos

Un cierre de las válvulas de admisión realizado antes de lo normal reduce las pérdidas por flujo de retorno a bajas revoluciones e incrementa el rendimiento volumétrico; pero por otra parte, a altas revoluciones disminuye el flujo de aire al cilindro. Por lo que esto sólo sería ventajoso para bajas revoluciones, y un cierre tardío sólo a altas revoluciones; lo normal es buscar un punto de compromiso. Del mismo modo, conductos de admisión largos pueden ser beneficiosos a bajas revoluciones y negativos a altas revoluciones. Alzados de válvula grandes mejoran la entrada del aire al cilindro hasta un punto, a partir del cual ya no aportan gran mejora.

Sistemas de Barrido en Motores 2T

En las figuras siguientes se ven ciertos sistemas de barrido en motores de 2 tiempos. En todos ellos, excepto en el sistema 3, se emplea un sistema de barrido independiente.

1. MEC inyección directa, lumbreras de admisión y válvulas de escape.
2. MEC inyección indirecta, lumbreras de admisión y válvulas de escape.
3. MEC inyección indirecta, lumbreras de admisión y escape. Barrido por cárter.
4. MEC inyección indirecta de cilindros opuestos y lumbreras de admisión y escape.
5. MEC inyección indirecta, válvulas de admisión y escape.
6. MEC inyección directa, válvulas de admisión y escape.
7. MEC inyección indirecta, lumbreras de admisión y escape.
8. MEC inyección directa, lumbreras de admisión y escape.

Parámetros y Modelos de Barrido (Motores 2T)

El proceso de barrido se describe principalmente por medio de los siguientes parámetros. Los parámetros se han representado por ciclo, pero también se representan con carácter de flujo y por unidad de tiempo.

Parámetros Principales

• m_REF: Masa de referencia para motores de 2 tiempos. Masa desplazada que llena el cilindro en unas condiciones determinadas de referencia (densidad del aire o de la mezcla en condiciones atmosféricas o en condiciones de la admisión).
• m_SUM: Carga fresca suministrada al motor por el sistema de barrido.
• m_RET: Masa de carga fresca retenida por el cilindro de la cantidad suministrada al cilindro.
• m_CC: Masa de cortocircuito, masa de carga fresca que sale junto a los gases de escape en el proceso de barrido.
• m_RES: Masa de residuos de combustión no expulsados en el proceso de barrido que quedan en el interior del cilindro.
• m_CAR: Masa de fluido total que evoluciona al final en el cilindro (m_CAR = m_RET + m_RES).

Los siguientes rendimientos y parámetros los representaremos con flujos másicos.

Coeficientes y Rendimientos del Barrido

Coeficiente de Admisión (R_S)

Relaciona la cantidad de aire requerida (la suministrada) para realizar el ciclo con aquella requerida en condiciones ideales de referencia.

R_S = m_SUM / m_REF

R_S > 1 indica un sistema de barrido independiente (bomba, soplador, turbocompresor); R_S < 1 indica barrido por cárter.

Rendimiento de la Retención (η_RET)

Indica la fracción de aire o carga fresca de la suministrada que ha sido retenida en el cilindro. Da información sobre la perfección del sistema a la hora de evitar el cortocircuito.

η_RET = m_RET / m_SUM

Rendimiento del Barrido (η_S)

Indica hasta qué punto los gases residuales han sido sustituidos por carga fresca en el interior del cilindro; indica el nivel de perfección del proceso de barrido y en la evacuación de los residuos del cilindro. Es la fracción de carga fresca de la carga total que evoluciona en un ciclo.

η_S = m_RET / m_CAR

Rendimiento de Llenado (η_LL)

El rendimiento de llenado (fracción de la cilindrada ocupada por carga fresca retenida) se relaciona con los anteriores mediante:

η_LL = η_RET * R_S

Modelos Ideales de Barrido

En procesos de barrido reales, se produce mezcla de carga fresca y gases del interior según la carga fresca desplaza los gases quemados. De este modo, parte de la carga fresca sale al exterior (cortocircuito). Así, hay dos (2) modelos ideales que limitan este proceso:

• Modelo de Barrido Perfecto (o Desplazamiento Perfecto): La carga fresca expulsa a los gases de la combustión totalmente sin producirse nada de cortocircuito ni mezcla (η_RET = 1 hasta que η_S = 1). Nada de carga fresca sale fuera y todo se queda en el interior hasta que el cilindro está lleno de carga fresca.
• Modelo de Mezcla Completa: La carga fresca se mezcla de forma inmediata y uniforme con el contenido del cilindro (gases de la combustión). La composición de la mezcla que sale por el escape es igual a la composición media dentro del cilindro en cada instante.

Para el caso de desplazamiento perfecto, si tomamos la carga retenida en el cilindro como masa de referencia (m_REF = m_CAR):

• Para R_S ≤ 1: η_S = R_S y η_RET = 1
• Para R_S > 1: η_S = 1 y η_RET = 1 / R_S

Variación del Rendimiento de Barrido y Retención

Al considerar los modelos de barrido, hay que tener en cuenta que lo que se denomina como masa de cortocircuito es carga fresca que sale directamente por el escape sin tomar parte en el ciclo de combustión.

• En el caso de que sea aire (MEC), el impacto se limita a una pérdida de rendimiento en el proceso de barrido, lo que es negativo ya que incrementa las pérdidas por bombeo (trabajo necesario para mover el aire).
• En el caso de que sea mezcla aire-combustible (MEP), se está echando combustible al escape, lo que disminuye drásticamente el rendimiento del motor y se incrementan las emisiones contaminantes (hidrocarburos sin quemar).

Otra opción es que parte de la masa proveniente de la combustión se quede atrapada en distintos recovecos de la cámara de combustión, liberándose más tarde y mezclándose con la carga fresca. Lo más probable es que esto se dé en zonas del cilindro alejadas del flujo principal de carga fresca.

Proceso de Barrido Real

Para valores bajos de coeficiente de admisión (R_S), el rendimiento del barrido (η_S) se aproxima más al modelo de desplazamiento perfecto. Inicialmente, no sale nada de carga fresca al escape y todo lo que sale son gases de la combustión. Pero según el proceso avanza (aumenta R_S), la carga fresca se va mezclando con los gases de la combustión y lo que sale por el escape es mezcla de carga fresca y gases de la combustión, acercándose al modelo de mezcla completa.

La aparición de carga fresca en el conducto de escape (inicio del cortocircuito significativo) depende del tipo de barrido:

• Flujo en lazo: Se produce en valores de R_S ≈ 0.4.
• Flujo único (unidireccional): Este paso de barrido perfecto a mezcla se produce algo más tarde, con R_S mayores.
• Barrido cruzado: Se produce antes, ya que el camino de la carga fresca a los puertos de escape es más corto.

La carga fresca entra a través de los puertos de admisión en forma de chorro. Por tanto, cuanto más largos son esos chorros, es más fácil que llegue la carga fresca hasta los puertos de escape. Una forma de disminuir el cortocircuito es aumentar el número de puertos de admisión, disminuyendo su tamaño individual. Normalmente, los chorros se diseñan de modo que choquen entre sí o contra las paredes del cilindro para acortar su camino directo hacia el escape e incrementar el fenómeno de barrido efectivo.

Aunque el proceso de barrido es conceptualmente similar para MEC y para MEP de 2T, estos tipos de motores trabajan con Coeficientes de Admisión (R_S) bastante diferentes y tienen distintas implicaciones:

• MEP 2T: Suelen usar barrido por cárter (R_S < 1). El cortocircuito es muy perjudicial por la pérdida de combustible y las emisiones.
• MEC 2T: Suelen usar barrido independiente (R_S > 1), especialmente los motores grandes y lentos (flujo único, lazo o cruzado). En este tipo de motores, a veces interesa una cierta cantidad de cortocircuito (R_S > 1, η_RET < 1) para asegurar una buena limpieza del cilindro y refrigerar componentes, especialmente si emplean combustibles residuales pesados de muy mala calidad que requieren una evacuación exhaustiva de los residuos de combustión por medio de aire fresco.

Etiquetas: admisión, escape, Motor 2 Tiempos, motor 4 tiempos