UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA SEDE MATRIZ CUENCA FACULTAD DE INGENIERIAS CARRERA: INGENIERIA MECANICA AUTOMOTRIZ

Tesis previa a la obtención del Título de Ingeniero Mecánico Automotriz

“DISEÑO DE LOS COLECTORES DE ADMISIÓN Y ESCAPE CON ANÁLISIS COMPARATIVO PARA UN MOTOR ESTÁNDAR G10 DE UN VEHÍCULO SUZUKI FORSA”

AUTORES: CRISTIAN FERNANDO LEMA ROMERO. GENARO JAVIER TOBAR ARIZAGA.

DIRECTOR: ING. PAÚL ALVAREZ.

CUENCA - ECUADOR 2010 – 2011.

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Certificación Yo, Ing. Paúl Álvarez Lloret, certifico que el trabajo aquí desarrollado fue realizado bajo mi completa tutela y dirección.

……………………………….

Ing. Paúl Álvarez Lloret. DIRECTOR DE TESIS.

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Declaratoria: Yo, Cristian Fernando Lema Romero, estudiante de la Universidad Politécnica Salesiana declaro que el trabajo aquí desarrollado fue realizado por mi completa autoría, y admito ceder los derechos de investigación a la Universidad Politécnica Salesiana, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por el Reglamento y por la Normativa Institucional.

……………………………….

Cristian Fernando Lema Romero.

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Declaratoria: Yo, Genaro Javier Tobar Arizaga, estudiante de la Universidad Politécnica Salesiana declaro que el trabajo aquí desarrollado fue realizado por mi completa autoría, y admito ceder los derechos de investigación a la Universidad Politécnica Salesiana, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por el Reglamento y por la Normativa Institucional.

……………………………….

Genaro Javier Tobar Arizaga.

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AGRADECIMIENTOS:

A Dios, a la Virgen de la Nube, al Ing. Paúl Álvarez, a mis amigos y a mi familia por el apoyo incondicional de todos…… CRISTIAN LEMA

Quiero dejar constancia de mi más sincero agradecimiento al Ing. Paul Álvarez quien me brindo su apoyo y amistad sincera como docente en mi carrera universitaria y de la misma forma para el desarrollo de este proyecto de tesis de una manera incondicional en todos aquellos problemas existentes para la elaboración del mismo, además a todos aquellos amigos profesores y todas aquellas personas que nos supieron colaborar de una u otra manera para el desarrollo del presente trabajo, a todos ellos gracias. GENARO TOBAR

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DEDICATORIAS:

A mis padres, a mis hermanos, a mis sobrinos y a la ausencia de aivliS………. CRISTIAN LEMA

Quiero dedicar este trabajo a mis Padres Mariana y Guillermo, quienes de una manera incondicional supieron forjar en mi valores y virtudes, además de un apoyo fundamental en todos los aspectos que son esenciales y necesarias con los cuales pude trazar objetivos en mi vida y que al culminar con este trabajo me doy cuenta que todo aquel sacrificio realizado por ellos pude superar las adversidades y obstáculos existentes en el transcurso de mi carrera universitaria, de igual manera dedico también a mis queridos hermanos y sobrinos fuente de inspiración y total apoyo para la culminación de este trabajo.

Además a todas aquellas personas especiales, amigos quienes son parte importante de mi vida y que de manera desinteresada y más bien con un espíritu de incentivación me apoyaron durante esta etapa, a todos ellos gracias.

GENARO TOBAR

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Contenido

“DISEÑO DE LOS COLECTORES DE ADMISIÓN Y ESCAPE CON ANÁLISIS COMPARATIVO PARA UN MOTOR ESTÁNDAR G10 DE UN VEHÍCULO SUZUKI FORSA” ................................................................................................................................... 1 Certificación............................................................................................................................. 2 Declaratoria: ............................................................................................................................. 3 Declaratoria: ............................................................................................................................. 4 AGRADECIMIENTOS: .......................................................................................................... 5 DEDICATORIAS: ................................................................................................................... 6 RESUMEN: .......................................................................................................................... 12 CAPITULO I: .................................................................................................................... 14 1. ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TERMODINÁMICO DEL MOTOR Y PARÁMETROS FÍSICOS DE LOS COLECTORES DE ADMISIÓN Y ESCAPE EN EL MOTOR ESTÁNDAR. ...................................................................................................... 14 1.1.

Estudio del Comportamiento Termodinámico del Motor. ........................................ 14

1.1.1.

Fundamentos Científicos de la Termodinámica..................................................... 14

1.1.2.

Sistemas Termodinámicos. .................................................................................... 15

1.1.3.

Propiedades de un Sistema.................................................................................... 15

1.1.4.

Procesos Termodinámicos. .................................................................................... 15

1.1.5.

Ciclo Otto de Aire Standard. .................................................................................. 16

1.1.6.

Ciclo de Trabajo del Motor de 4 tiempos. ............................................................. 17

1.1.7.

Ciclo de Trabajo Real del Motor............................................................................. 19

1.1.8.

Determinación del Aire Mínimo para la Combustión. ........................................... 20

1.1.9.

Dosado y Coeficiente de Aire. ................................................................................ 21

1.1.10.

Consideraciones de la Mezcla. ............................................................................... 22

1.1.11.

Eficiencia Volumétrica y Flujo Másico de Ingreso. ................................................. 24

1.1.12.

Rendimiento Térmico y Procesos de Trabajo del Motor. ...................................... 28

1.1.13.

Trabajos en el Motor Otto. .................................................................................... 32

1.1.14.

Par Motor. .............................................................................................................. 37

1.1.15.

Temperatura y Presión en la Combustión en el Ciclo Otto.................................... 38

1.1.16.

Presión Media del Ciclo.......................................................................................... 40

1.1.17.

Potencia Indicada. (Potencia Interna.)................................................................... 41

1.1.18.

Potencia Efectiva (potencia útil). ........................................................................... 42

1.1.19.

Procedimiento de Cálculo Termodinámico para el Motor en Análisis. ................. 43

pág. 7

1.1.20.

Resultados Obtenidos para Distintos Regímenes: ................................................. 55

1.1.21.

Relaciones Obtenidas............................................................................................. 56

1.2.

Estudio de los Parámetros Físicos de los Colectores de Admisión y escape. ............ 59

1.2.1.

Generalidades de la Renovación de la Carga. (RC) ................................................ 59

1.2.2. Consideraciones en el proceso de Admisión y Escape en un Motor Cuatro Tiempos. 60 1.2.3.

Consideraciones Generales para el Diseño. ........................................................... 62

1.2.3.1. Consideraciones de la Geometría y su Influencia del Diseño en el Cálculo Termodinámico del Motor. .................................................................................................... 62 1.2.3.2.

Consideraciones de Turbulencia. ....................................................................... 63

1.2.3.3.

Consideraciones de Longitud efectiva. .............................................................. 65

CAPITULO II. ................................................................................................................... 66 2. DISEÑO DEL NUEVO SISTEMA DE COLECTORES DE ADMISION Y ESCAPE............................................................................................................................. 66 2.1.

Descripción del Modelo Matemático para el Fluido de Transporte de los Colectores. 66

2.1.1.

Definición del Tipo de Fluido y de Flujo en los Múltiples. ..................................... 66

2.1.2.

Ecuaciones de Transporte. ..................................................................................... 68

2.1.3.

Conservación de la Masa. ...................................................................................... 69

2.1.4.

Conservación de la Cantidad de Movimiento. ....................................................... 70

2.1.5.

Conservación de la Energía. ................................................................................... 71

2.1.6.

Fricción. .................................................................................................................. 72

2.1.7.

Transferencia de Calor. ......................................................................................... 73

2.1.8.

Ecuaciones Generalizadas. ..................................................................................... 74

2.1.9.

Discretización por Medio de Volúmenes o Elementos Finitos. ............................. 75

2.2.

Adaptación del Modelo de Fluidos Computacionales (CFD)...................................... 76

2.3.

Procedimiento de Análisis CFD para los Colectores de Admisión y Escape. .............. 77

2.3.1.

Análisis CFD del Colector de Admisión Estándar (STD). ......................................... 78

2.3.1.1.

Etapa de Pre-Procesamiento CFD para Colector de Admisión STD. .................. 79

2.3.1.2.

Etapa de Solución CFD para Colector de Admisión STD. ................................... 82

2.3.1.3. STD.

Etapa de Post-Procesamiento de Resultados CFD para Colector de Admisión 83

2.4.

Propuesta de Diseños Preliminares para el Colector de Admisión. ......................... 104

2.4.1. 2.4.1.1.

Diseño 1 Colector de Admisión: Análisis CFD. ..................................................... 104 Diseño 1 Colector de Admisión: Etapa de Pre-Procesamiento CFD................. 105

pág. 8

2.4.1.2.

Diseño 1 Colector de Admisión: Etapa de Solución CFD. ................................. 108

2.4.1.3. CFD.

Diseño 1 Colector de Admisión: Etapa de Post-Procesamiento de Resultados 109

2.4.2.

Diseño 2 Colector de Admisión: Análisis CFD. ..................................................... 130

2.4.2.1.

Diseño 2 Colector de Admisión: Etapa de Pre-Procesamiento CFD................. 130

2.4.2.2.

Diseño 2 Colector de Admisión: Etapa de Solución CFD. ................................. 133

2.4.2.3. CFD.

Diseño 2 Colector de Admisión: Etapa de Post-Procesamiento de Resultados 134

2.4.3.

Diseño 3 Colector de Admisión: Análisis CFD. ..................................................... 155

2.4.3.1.

Diseño 3 Colector de Admisión: Etapa de Pre-Procesamiento CFD................. 155

2.4.3.2.

Diseño 3 Colector de Admisión: Etapa de Solución CFD. ................................. 157

2.4.3.3. CFD.

Diseño 3 Colector de Admisión: Etapa de Post-Procesamiento de Resultados 158

2.4.4.

Diseño 4 Colector de Admisión: Análisis CFD. ..................................................... 179

2.4.4.1.

Diseño 4 Colector de Admisión: Etapa de Pre-Procesamiento CFD................. 179

2.4.4.2.

Diseño 4 Colector de Admisión: Etapa de Solución CFD. ................................. 182

2.4.4.3. CFD.

Diseño 1 Colector de Admisión: Etapa de Post-Procesamiento de Resultados 183

2.5.

Análisis CFD del Colector de Escape STD. ................................................................ 205

2.5.1.1.

Etapa de Pre-Procesamiento CFD para Colector de Escape STD. .................... 205

2.5.1.2.

Etapa de Solución CFD para Colector de Escape STD. ..................................... 208

2.5.1.3.

Etapa de Post-Procesamiento de Resultados CFD para Colector de Escape STD. 209

2.6.

Propuesta de Diseños Preliminares para el Colector de Escape. ............................. 229

2.6.1.

Diseño 1 Colector de Escape: Análisis CFD. ......................................................... 229

2.6.1.1.

Diseño 1 Colector de Escape: Etapa de Pre-Procesamiento CFD..................... 229

2.6.1.2.

Diseño 1 Colector de Escape: Etapa de Solución CFD. ..................................... 232

2.6.1.3.

Diseño 1 Colector de Escape: Etapa de Post-Procesamiento de Resultados CFD. 233

2.6.2.

Diseño 2 Colector de Escape: Análisis CFD. ......................................................... 253

2.6.2.1.

Diseño 2 Colector de Escape: Etapa de Pre-Procesamiento CFD..................... 253

2.6.2.2.

Diseño 2 Colector de Escape: Etapa de Solución CFD. ..................................... 256

2.6.2.3.

Diseño 2 Colector de Escape: Etapa de Post-Procesamiento de Resultados CFD. 257

2.6.3. 2.6.3.1.

Diseño 3 Colector de Escape: Análisis CFD. ......................................................... 277 Diseño 3 Colector de Escape: Etapa de Pre-Procesamiento CFD..................... 277

pág. 9

2.6.3.2.

Diseño 3 Colector de Escape: Etapa de Solución CFD. ..................................... 280

2.6.3.3.

Diseño 3 Colector de Escape: Etapa de Post-Procesamiento de Resultados CFD. 281

2.6.4.

Diseño 4 Colector de Escape: Análisis CFD. ......................................................... 301

2.6.4.1.

Diseño 4 Colector de Escape: Etapa de Pre-Procesamiento CFD..................... 301

2.6.4.2.

Diseño 4 Colector de Escape: Etapa de Solución CFD. ..................................... 304

2.6.4.3.

Diseño 4 Colector de Escape: Etapa de Post-Procesamiento de Resultados CFD. 305

2.7. Determinación del comportamiento termodinámico del Motor STD considerando los resultados del Análisis CFD. ................................................................................................. 325 2.7.1. Comportamiento termodinámico del Motor STD considerando los resultados del Análisis CFD en el Colector de Admisión.............................................................................. 325 2.7.1.1. STD.

Resultados Obtenidos del Análisis Termodinámico para el Colector de Admisión 326

2.7.2. Comportamiento Termodinámico del Motor STD considerando los resultados del Análisis CFD en el Colector de Escape.................................................................................. 329 2.7.2.1. STD. 2.8. CFD.

Resultados Obtenidos del Análisis Termodinámico para el Colector de Escape 332

Validación del Comportamiento Termodinámico del Motor y del Modelo de Análisis 335

CAPITULO III: ................................................................................................................ 337 3. ANALISIS DEL COMPORTAMIENTO TERMODINAMICO DEL MOTOR CON EL NUEVO DISEÑO DE COLECTORES. .................................................................... 337 3.1. Análisis Termodinámico de los Diseños de Colectores de Admisión y Escape propuestos. .......................................................................................................................... 337 3.1.1. Procedimiento de Análisis Termodinámico de los Diseños propuestos para el Colector de Admisión. .......................................................................................................... 337 3.1.1.1. Resultados Obtenidos del Análisis Termodinámico para los Diseños Propuestos del Colector de Admisión. .................................................................................................... 339 3.1.2. Procedimiento de Análisis Termodinámico de los Diseños propuestos para el Colector de Escape. .............................................................................................................. 343 3.1.2.1. Resultados Obtenidos del Análisis Termodinámico para los Diseños Propuestos del Colector de Escape. ........................................................................................................ 345 CAPITULO IV................................................................................................................. 349 4.

ANALISIS COMPARATIVO DEL NUEVO DISEÑO FRENTE AL ESTANDAR. 349

4.1. Análisis Comparativo del Comportamiento del Motor con los Diseños Propuestos de Colectores de Admisión y Escape. ....................................................................................... 349

pág. 10

4.1.1. Análisis Comparativo del Comportamiento del Motor con los Diseños Propuestos de Colectores de Admisión frente al Estándar. ................................................................... 349 4.1.1.1.

Análisis de las Pérdidas Generadas del Colector de Admisión Estándar. ........ 349

4.1.1.2. Análisis Comparativo de Valores Obtenidos con el Colector de Admisión Estándar frente a los Diseños Propuestos. .......................................................................... 351 4.1.2. Análisis Comparativo del Comportamiento del Motor con los Diseños Propuestos de Colectores de Escape. ..................................................................................................... 361 4.1.2.1.

Análisis de las Pérdidas Generadas del Colector de Escape Estándar. ............ 361

4.1.2.2. Análisis Comparativo de Valores Obtenidos con el Colector de Escape Estándar frente a los Diseños Propuestos. ......................................................................................... 362

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RESUMEN: En el desarrollo de esta tesis se establece las distintas características técnicas del comportamiento termodinámico del motor en análisis, mediante la utilización del cálculo, el manual técnico del fabricante, y en base a las técnicas de observación de campo; llegándose a determinar analíticamente los procesos y ciclos térmicos de funcionamiento del motor; así como también las consideraciones de análisis para el diseño de los colectores de admisión y escape. Así entonces, en el capítulo 1 se detalla el análisis termodinámico del motor considerando datos reales de presiones de entrada del ciclo termodinámico, mediante el cual se determinan los valores de Potencia, Par Motor y Eficiencia Volumétrica durante un régimen de rpm desde 700, 1200, 2000, 2500, 3000, 3600, 4500, 5000, y 5300. Paralelamente en este capítulo se estudia los diferentes aspectos y parámetros físicos de los colectores de admisión y escape, y como estos influyen dentro del comportamiento termodinámico del motor; tales como sus dimensiones, material, geometría, etc. Así como también se determinará las distintas presiones a las que están sujetos los colectores, y en general el carácter de flujo dentro de los múltiples. Dentro del capítulo 2 se determina las diferentes distribuciones de presiones y velocidades de ingreso y salida dentro de los múltiples mediante un Análisis de Fluidos Computacionales (CFD), en donde la utilización de esta herramienta muy potencial se puede observar virtualmente el comportamiento general del flujo, pudiendo determinarse para los múltiples de admisión y escape las pérdidas de presión, velocidades, temperaturas, densidades, entre otras; y posterior con estos resultados se determina la pérdida de potencia mediante la relación en el cálculo termodinámico del motor, dejando como precedentes las características y los valores adecuados para la consideración geométrica y analítica de los diseños de colectores tanto de admisión como de escape. Así entonces, mediante el análisis CFD utilizado se plantea 4 propuestas de diseños para colectores de admisión, y 4 propuestas de diseño para colectores de escape; todas ellas analizadas mediante esta herramienta para la determinación del comportamiento general del flujo.

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Así mismo en este capítulo se plantea la validación de resultados del análisis CFD y de resultados obtenidos de potencia y par motor, mediante la medición de campo en un banco de medición de potencia y par motor para el motor en análisis; determinándose valores muy adecuados entre la medición y respecto al cálculo realizado; estableciéndose que el modelo de análisis CFD y análisis termodinámico funcionan adecuadamente En el capítulo 3 se establece los procedimientos de análisis termodinámico que se deben llevar mediante los valores obtenidos del análisis CFD utilizado, tanto para diseño de colectores de admisión como para colectores de escape. Así, se determina que las propuestas planteadas para colectores de admisión funcionan eficazmente, con la consideración de que en diseños de ingreso directo de flujo y de geometría corta pueden aportar notables incrementos de potencia y par motor en regímenes de giro desde 700rpm hasta 3600rpm. Mientras que para las propuestas planteadas para colectores de admisión de ingreso directo de flujo y de geometría alargada aportan mejoras de potencia y par motor en regímenes de giro de entre 3000rpm en adelante Para diseños de colectores de escape se determina que las consideraciones geométricas que generalmente se plantea en nuestro medio pueden aportar notablemente el incremento de potencia y par motor. Pero a pesar de ello, mediante las propuestas de diseño planteadas por inspiración propia como el diseño 2 y diseño 3; y considerando el análisis CFD se puede mejorar notablemente la potencia y par motor con respecto al diseño estándar y con respecto a las consideraciones geométricas que se practica en nuestro medio. En el capítulo 4 se establece un análisis comparativo entre los valores obtenidos de potencia, par motor y eficiencia volumétrica del motor, con colectores estándar frente a las propuestas de diseño planteadas tanto para diseños de colectores de admisión y escape.

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CAPITULO I: 1. ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TERMODINÁMICO DEL MOTOR Y PARÁMETROS FÍSICOS DE LOS COLECTORES DE ADMISIÓN Y ESCAPE EN EL MOTOR ESTÁNDAR.

1.1.Estudio del Comportamiento Termodinámico del Motor.

Para el estudio del comportamiento termodinámico del motor, se hace necesario establecer las distintas características técnicas del mismo, para en lo posterior determinar los procesos o ciclos de trabajo del motor y determinar así el trabajo neto y la potencia actual de dicho motor.

1.1.1. Fundamentos Científicos de la Termodinámica.

Termodinámica es la rama de las ciencias físicas que trata de los diversos fenómenos de energía y las propiedades relacionadas de la materia, especialmente en lo que se refiere a las leyes de transformación de calor a otras formas de energía, y viceversa. Una de las leyes fundamentales de la naturaleza es el principio de la conservación de la energía. El cual establece que, durante una interacción, la energía puede cambiar de una forma a otra, pero la cantidad total de energía permanece constante, es decir no puede crearse o destruirse. Los dispositivos empleados en producir una salida de potencia neta reciben el nombre de maquinas, y los ciclos termodinámicos que operan se denominan ciclos de potencia. Los estudios teóricos termodinámicos tienen como aplicación fundamental estudiar los sistemas físicos cuyas aplicaciones industriales más importantes son las maquinas térmicas, entre las que se incluyen las maquinas de vapor y los motores de combustión interna.

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1.1.2. Sistemas Termodinámicos.

Un sistema termodinámico es una cantidad de materia o una región en el espacio elegida para el estudio. La masa o región fuera del sistema recibe el nombre de alrededores. La superficie real o imaginaria que separa el sistema de sus alrededores recibe el nombre de frontera. 1.1.3. Propiedades de un Sistema.

Son aquellas

propiedades que definen el espacio termodinámico y pueden ser

intensivas o extensivas. Intensivas.- son independientes del tamaño de un sistema, estas son: temperatura, presión y densidad. Extensivas.- Dependen de la extensión del sistema como son la masa, el volumen y la energía total.

1.1.4. Procesos Termodinámicos.

En las maquinas térmicas, el sistema evoluciona en su interior a través de una serie de procesos que forman una línea cerrada, denominada ciclo. -

Procesos adiabáticos, suceden sin intercambio de calor con el límite del sistema.

-

Procesos Politrópicos, cumplen con la ley

-

Procesos a volumen constante o isocoras.

-

Procesos a presión constante o isobaras.

-

Procesos a temperatura constante o isoterma.

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1.1.5. Ciclo Otto de Aire Standard.

El ciclo Otto es el ciclo ideal para las maquinas reciprocantes de encendido de chispa Fig. 1.1.5.1., reciben ese nombre en honor a Nikolaus A. Otto quien en 1876 construyo una maquina de cuatro tiempos utilizando el ciclo propuesto por Beau de Rochas.

Fig. 1.1.5.1 Esquema de un motor de encendido por chispa.

El ciclo se compone de los siguientes procesos. Fig 1.1.5.2.    

1-2 Compresión adiabática y reversible. 2-3 Calor añadido a volumen constante. 3-4 Expansión adiabática y reversible. 4-1 Calor rechazado a volumen constante.

Fig. 1.1.5.1 Componentes del Ciclo OTTO.

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1.1.6. Ciclo de Trabajo del Motor de 4 tiempos.

Para un motor de 4 carreras o tiempos se tienen las siguientes características operacionales; fig. 1.1.6. “Primer Tiempo (1-2): Se produce la compresión adiabática de la mezcla carburada. Con las válvulas cerradas el embolo pasa de 1 a 2 recibiendo un trabajo que le permite realizar la compresión adiabática, al final de la cual el volumen de la mezcla (aire – combustible) se ha reducido al de la cámara de combustión aumentando la presión teórica hasta un máximo que depende de la relación de compresión r, de la forma: Ecuación. 1.1 La relación de compresión, varia en motores de gasolina de 6 a 11.5 para gasolina sin plomo.

Segundo Tiempo (2-3): Llegado el embolo a 2 se provoca el encendido de la mezcla carburada comprimida mediante una chispa y se efectúa la explosión (2-3) a volumen constante, aumentando la temperatura a (1500ºC < T3 < 2200ºC) y la presión a (30 atm < p3 < 40 atm), recibiendo el fluido Q1 calorías de la fuente caliente por liberación de la energía química de la mezcla carburada durante proceso de la combustión.

Tercer Tiempo (3-4): A continuación, el sistema constituido por los productos de la combustión realiza la expansión adiabática (3-4) hasta alcanzar el punto muerto inferior 4 que se corresponde con el volumen máximo V1.

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Cuarto Tiempo (4-1): Se abre la válvula de escape y se produce un descenso de presión según (4-1) con el consiguiente enfriamiento a volumen constante en el cual se ceden energía en forma de calor a la fuente fría; a continuación el embolo realiza la operación de expulsión o escape de los productos de la combustión, para volver a introducir en el punto muerto superior una nueva mezcla de aire combustible en condiciones similares a la anterior, que permiten reanudar un nuevo ciclo.” 1

Fig. 1.1.6. Ciclo de Funcionamiento del motor OTTO2

1

Cengel, Yunus, “Termodinamica” Internal Combustion Engines – Aplied Thermosciences, Second Edition; COLIN R. Ferguson, ALLAN T. Kirkpatrick, Pg 3. 2

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1.1.7. Ciclo de Trabajo Real del Motor.

En la práctica, la combustión teórica a volumen constante no se puede realizar, ni tampoco sería aconsejable hacerlo por el golpe brusco que ello significa. En el ciclo real, la admisión se hace una presión algo inferior a la atmosférica y el barrido de los gases de la combustión a una presión algo superior. Este ciclo es con encendido retrasado. El encendido de la mezcla se verifica cuando el aire esta en el mínimo volumen, es decir, en 2. De 2 a 3 pasa un intervalo de tiempo e el que el combustible se quema con el oxigeno del aire. Como el proceso real debe aproximarse al ideal, es necesario que se produzca el encendido antes de llegar el embolo al PMS 2. Con este avance en el encendido se logra un mejor rendimiento. Además, para tener bajas temperaturas en las superficies del pistón en contacto con la camisa del embolo y lograr una buena lubricación disminuyendo el rozamiento, el cilindro va rodeado de un sistema de refrigeración; además, como las transformaciones (1-2) y (3-4) no son del todo adiabáticas, no se llegan alcanzar la temperaturas que correspondería al ciclo ideal. Fig. 1.1.7.1.

a. Ciclo de motor ideal; b. Ciclo con encendido retrasado; c. Ciclo con avance en el encendido Fig. 1.1.7.1. Ciclos de motor de gasolina trabajando en condiciones distintas:

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1.1.8. Determinación del Aire Mínimo para la Combustión.

Durante la combustión completa, todo el carbono y el hidrógeno reaccionan con el oxígeno del aire para formar dióxido de carbono y agua en estado de vapor respectivamente, si existe azufre se obtiene dióxido de azufre.

C  O  CO  Calor 2 2 1 H  O  H O  Calor 2 2 2 S  O  SO  Calor 2 2 Si C, H, son masas contenidas en 1 kg de combustible, este necesita la siguiente cantidad de oxígeno:

O

2min





 kgC  16 kgO 2 / kmol  kgH 2  32 kgO 2 / kmol .C .H 2     12,011 kgC / kmol  kg Comb.  2,16 kg H 2 / kmol  kg Comb. 

Como se sabe que la gasolina tiene 85,6% de contenido de Carbono, y 14,4% de H; el

O

2min seria el siguiente, para un Kilogramo de Gasolina:

32 kgO / kmol  kgH 2   kgC  16 kgO 2 / kmol 2    .0,856 .0,144 2min 12,011 kgC / kmol   kg Comb. 2,16 kg H / kmol kg Comb.     2 O  3,3472 KgO / KgComb. 2min 2 O



Como el O2 se toma del que se encuentra en el aire, y este tiene sus proporciones prácticamente constantes (23,2 % de O2, 76,8 % de N2). La masa de aire mínima para que se produzca la reacción completa (estequiométrica) de combustión, es:

Aire Aire

Aire

min min

min

 100

O 2min KgAire/KgC ombustible. 23,2

 100

3,3472 KgAire/KgC ombustible. 23,2

 14,756  KgAire/KgC ombustible

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1.1.9. Dosado y Coeficiente de Aire.

Se denomina "dosado" al cociente entre la masa de combustible y la masa de aire empleada en la combustión.

F

mf ma

Ecuación 1.2

Un valor también usado es su inversa, que recibe el mismo nombre;

A

ma mf

Ecuación 1.3

Si empleamos la masa mínima de aire necesaria para la combustión, se obtiene el dosado estequiométrico.

mamin mf

Ae 

Ecuación 1.4

Al cociente entre ambos se le denomina el coeficiente de exceso de aire.



A ma  Ae mamin

Ecuación 1.5

Por lo que tendremos tres posibles mezclas; si: λ>1: Hablamos de una mezcla pobre (exceso de aire). λ=1: Hablamos de una mezcla estequiométrica. λ