MAA Ciclo

UNIVERSIDAD POLITCNICA DE MADRID

Motores Alternativos Aeronaticos

Trabajo de Ciclo Termodinmico

Edgar Barajas Carneiro

Daniele Malgieri

Jose Maria Oliveros Lagunas

Daniel Sedano Moreno

Curso 2014/2015

ndice general

1. Trabajo de Ciclo Termodinmico 11.1. Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2. Eleccin de la relacin entre carrera y dimetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2.1. Influencia de la relacin carrera/dimetro en las actuaciones del motor . . . . . . 21.2.2. Eleccin de la relacin carrera dimetro en el caso presentado . . . . . . . . . . 3

1.3. Distribucin de admisin y escape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3.1. Avance de Apertura de la vlvula de Admisin . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3.2. Retraso al cierre de la vlvula de Admisin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.3.3. Adelando de la aperutra de la vlvula de escape . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.4. Adelanto de Inicio Combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.5. El fenmeno de la detonacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.6. Curvas de las Actuaciones a Plena Carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

ndice de figuras

1.1. Esquema de pistn y cilindro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2. Valores tpicos de la relacin entre carrera y dimetro en diferentes aplicaciones . . . . . 41.3. Potencia en funcin del rgimen, para diferentes valores de la relacin entre carrera y

dimetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.4. Potencia en funcin del rgimen, para la relacin entre carrera y dimetro elegida de 0.80 51.5. Presin media efectiva en funcin del rgimen, para diferentes valores de la relacin

entre carrera y dimetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.6. Presin media efectiva en funcin del rgimen, para la relacin entre carrera y dimetro

elegida de 0.80 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.7. Presin media efectiva en funcin del rgimen, para diferentes valores de la relacin

entre carrera y dimetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.8. Presin media efectiva en funcin del rgimen, para la relacin entre carrera y dimetro

elegida de 0.80 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.9. Apertura de la vlvula real, con avance y sin avance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.10. Variacin de la potencia funcin del rgimen para diferentes valores de retraso al cierre

de la vlvula de admisin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.11. Variacin de la presin media efectiva funcin del rgimen para diferentes valores de

retraso al cierre de la vlvula de admisin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.12. Variacin del rendimiento en funcin del rgimen para diferentes valores de retraso al

cierre de la vlvula de admisin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.13. Variacin del trabajo en funcion del rgimen para diferentes valores de adelanto de aper-

tura de la vlvula de escape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.14. Variacin del trabajo en funcion del rgimen para diferentes valores de adelanto de aper-

tura de la vlvula de escape, a 1000 rpm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.15. Variacin del trabajo en funcion del rgimen para diferentes valores de adelanto de aper-

tura de la vlvula de escape, a 3000 rpm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.16. Variacin del trabajoen funcion del rgimen para diferentes valores de adelanto de aper-

tura de la vlvula de escape, a 7000 rpm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.17. Variacin del trabajo en funcion del rgimen para diferentes valores de adelanto de aper-

tura de la vlvula de escape, a 1000 rpm - zoom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.18. Variacin del trabajo en funcion del rgimen para diferentes valores de adelanto de aper-



tura de la vlvula de escape, a 1000 rpm, curva de maximo trabajo y valor elejido -zoom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4 ndice de figuras

1.21. Variacin del trabajo en funcion del rgimen para diferentes valores de adelanto de aper-tura de la vlvula de escape, a 3000 rpm, curva de maximo trabajo y valor elejido -zoom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.22. Variacin del trabajo en funcion del rgimen para diferentes valores de adelanto de aper-tura de la vlvula de escape, a 7000 rpm, curva de maximo trabajo y valor elejido -zoom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.23. Variacin de la potencia en funcion del rgimen para diferentes valores de adelanto deapertura de la vlvula de escape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.24. Variacin de la precin media efectiva en funcion del rgimen para diferentes valores deadelanto de apertura de la vlvula de escape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.25. Variacin del rendimiento en funcion del rgimen para diferentes valores de adelanto deapertura de la vlvula de escape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.26. El primer distribuidor de fase, Variable Camshaft Timing, realizado por Alfa Romeo . . 221.27. Ejemplo de ajuste de curva de los angulos ptimos de adelanto de encendido, para rg = 5 231.28. ngulo ptimo de Adelanto de Inicio Combustin (AICB) en funcin del rgimen (RPM),

para diferentes valores de la relacin de compresin geomtrica (rg) . . . . . . . . . . . 231.29. ngulo ptimo de Adelanto de Inicio Combustin (AICB) en funcin del rgimen (RPM),

para diferentes valores de la relacin de compresin geomtrica (rg) - 3D . . . . . . . . 241.30. ngulo ptimo de Adelanto de Inicio Combustin (AICB) en funcin del rgimen (RPM),

para diferentes valores de la relacin de compresin geomtrica (rg) - curve fitting . . . . 241.31. ngulo ptimo de Adelanto de Inicio Combustin (AICB) en funcin del rgimen (RPM),

para diferentes valores de la relacin de compresin geomtrica (rg) - curve fitting - 3D . 251.32. Piston daado por autoignicin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.33. Esquema de combustin ideal, detonacin y pre-ignicin . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.34. Vibraciones por detonacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271.35. Variacin del peligro de detonacin en funcin del rgimen para diferentes valores de

adelanto de apertura de la vlvula de escape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.36. ngulo ptimo de Adelanto de Inicio Combustin (AICB) en funcin del rgimen (RPM), 291.37. Diagrama presin volumen para nuestro motor con los parametros de diseo fijados an-

teriormente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301.38. Diagrama de la presin en funcin del ngulo de giro del cigueal para nuestro motor

con los parametros de diseo fijados anteriormente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.39. Diagrama de temperatura en funcin del ngulo de giro del cigueal para nuestro motor

con los parametros de diseo fijados anteriormente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.40. Potencia en funcin del rgimen para nuestro motor con los parametros de diseo fijados

anteriormente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321.41. Presin media efectiva en funcin del rgimen para nuestro motor con los parametros de

diseo fijados anteriormente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321.42. Rendimiento en funcin del rgimen para nuestro motor con los parametros de diseo

fijados anteriormente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Problema 1

Trabajo de Ciclo Termodinamico

1.1. ObjetivoEn los apartados siguientes se mostrarn los resultados del clculo de estudio del diseo de un motor

alternativo Otto de 4 tiempos. Los parmetros del motor se muestran en las tablas 1.1. Para ello serealizaron las siguientes actividades:

A. Influencia y seleccin de la relacin carrera/dimetro (s/b) del cilindro en las actuaciones del motor(Potencia, Par Motor y Consumo Especfico).

B. Influencia y seleccin del ngulo de retardo al cierre de admisin (RCA) en las actuaciones del motor.

C. Influencia y seleccin del ngulo de adelanto a la apertura de la vlvula de escape (AAE) en el trabajorealizado en cada ciclo, para 3 regmenes de giro distintos (ralent, crucero y mximo).

Cilindrada Unitaria 500 cc

Nmero de Cilindros 4

de la biela 0.25

Presin de Admisin 1 bar

Presin de Escape 1 bar

Dosado Relativo 1 Carga Parcial 1.20 Plena Carga

Temperatura del aire 450 K

Temperatura de pared 450 K

Coeficiente a

de Weibe 5

Coeficiente n

de Weibe 5

Duracin de la combustin 50

Tabla 1.1 Parmetros del Motor alternativo Otto de 4 tiempos

2 Problema 1 Trabajo de Ciclo Termodinmico

D. Clculo del ngulo ptimo de adelanto a la combustin, ligado a una relacin de compresin ptimay teniendo en cuenta la auto-ignicin, obtenindose un mnimo consumo de combustible.

E. Anlisis de los resultados obtenidos en las actuaciones con los parmetros anteriores fijados.

Para los clculos realizados se ha utilizado el codigo de Matlab OTTOb.m dado, con algunas modifi-caciones necesarias para iterar los clculos.

1.2. Eleccin de la relacin entre carrera y dimetro

Imagen 1.1 Esquema de pistn y cilindro

1.2.1. Influencia de la relacin carrera/dimetro en las actuaciones del motorLas actuaciones que se quieren conseguir influirn en la eleccion de la relacin entre carrera y

dimetro del mbolo, para un motor de una cilindrada constante. En este caso, la utilizacin de unamenor relacin carrera/dimetro tiene las siguientes ventajas e inconvenientes:

Ventajas

Menor superficie lateral, Se tiene una menor superficie de contacto entre pistn y cilindro. En conse-cuencia, hay menores prdidas de energa por friccin.

Rgimen ms elevado, Si se reduce la relacin carrera/dimetro, la velocidad media del pistn decrecey, dado que ste parmetro es crtico para el desarrollo de un motor, se puede utilizar un rgimenms elevado, llegando as a la velocidad mxima (crtica) del pistn.

Menores Vibraciones, fijado el rgimen, el pistn y la biela estn sometidos a menores velocidades,por esto desarrollan menor inercia y por lo tanto menores vibraciones.

1.2 Eleccin de la relacin entre carrera y dimetro 3

Mejor rendimiento volumtrico, con el mismo volumen y una relacin carrera/dimetro ms pequease mejora el llenado del cilindro, ya que se tiene un dimetro mayor(pudindose utilizar vlvulasde mayores dimensiones). A un rgimen alto se necesitan vlvulas ms grandes para la respiracindel motor, hecho que hace que aumente la potencia disponible manteniendo la misma cilindrada.

Inconvenientes

Menor aislamiento en las juntas de los anillos de lubricacin de aceite, porque con dimetros mayo-res en estas juntas sigue actuando la misma fuerza (principalmente dependiente del material), perocon una presin menor porque sube la superficie lateral del mbolo. Por ello, disminuye el ais-lamiento entre los gases y el aceite de lubricacin. Esto lleva a mayores emisiones debidas a lacombustin del aceite de lubricacin y a una perdida de presin de los gases durante la compre-sin.

Menor rendimiento termico de la combustin, una menor relacin carrera/dimetro lleva a una c-mara de combustin ms ancha, hecho que aumenta el tiempo de propagacin de la llama.

Fuerza Mayor, manteniendo la misma cilindrada se desarrollan fuerzas mayores y se necesitan pistonesy bielas ms resistentes.

Mayor peligro de detonacin, porque una cmara de combustin ms ancha lleva un mayor peligro dedetonacin. Esto ser explicado en el prrafo 1.5.

Adems, el valor de la relacin entre carrera y dimetro depende del tipo de aplicacin que se exige.Por ejemplo, para coches deportivos de Cross o Rally, donde se exige un elevado par motor, el rgimende giro mximo es limitado por regulacin, se utilizan motores con relaciones carrera/ dimetro mayorque 1.00. Estos motores pueden desarollar ms aceleracin a bajas rpm, hecho muy solicitado en estetipo de aplicacin.

Por otra parte, motores con relacin carrera/dimetro mayores que 1 tienen menores cargas mecnicasen pistones y biela, en consecuencia, se puede utilizar regmenes de giro mximos ms elevados. Encoches de Formula 1, se puede llegar hasta 18000 rpm.

En coches deportivos como en Nascar Series el valor tpico de la relacin entre carrera y dimetroest cerca de 0.60, para coches de Formula 1 el valor tpico es de 0.40. Para coches de modelismo sepuede llegar tambin hasta 30000 rpm, el valor tpico es de 0.20. Para motores de buques el regimenmaximo tpico es de 102 (debido a problemas de frecuencias propias de vibracin y resonancia, y deresistencia estructural) la relacin entre carrera y dimetro tpica llega hasta 2.50.

En coches comerciales se suele elgir una relacin carrera/dimetro menor que 1, tambin, en losltimos aos, se estn aplicando motores con relaciones mayores que 1, para optimizar el consumo y lasemisiones.

En la figura 1.2 en la pgina siguiente se muestran valores tpicos de la relacin entre carrera ydimetro del pistn en diferientes aplicaciones.

En el desarollo del problema hemos considerado el motor como aplicado a un coche medio comercial(2000 cm3). Consecuentemente, se ha considerado un rgimen entre 1000 rpm y 8000 rpm; sto influyetambin sobre la eleccin de la relacin carrera / dimetro.

1.2.2. Eleccin de la relacin carrera dimetro en el caso presentadoPara empezar, se ha calculado la relacin entre carrera y dimetro del cilindro que proporciona mejo-

res resultados de Presin media efectiva y Potencia. Se han obtenido en Matlab con el codigo OTTOb.mlas diferentes curvas de potecia y presin media efectiva en funcin del rgimen de giro y para diferentesvalores de la relacin entre carrera y dimetro. Lor resultados se muestran en la figura 1.3 a pagina 5

Motores Alternativos Aeronuticos


Imagen 1.2 Valores tpicos de la relacin entre carrera y dimetro en diferentes aplicaciones

y 1.4 en la pgina siguiente para la potencia, en la figura 1.5 a pagina 6 y 1.6 a pagina 6 para la presinmedia efectiva.

Se ha elegido la relacin sb = 0.80, ya que por este valor se puede observar que asegura un elevadovalor de potencia, con el maximo cerca de 7000 rpm, y al mismo tiempo asegura un valor adecuado depresin media efectiva a bajo rgimen, con lo cual se obtendr una aceleracin adecuada a bajo y mediorgimen. Adems el valor de 0.80 permite que haya un valr maximo en el rendimiento del cclo y estese site cerca de 3000 rpm, que es el valor ideal en crucero de los coches comerciales, como se muestraen las imgenes 1.7 a pagina 7 y 1.8 a pagina 7.


1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000

20

40

60

80

100

120

140

RPM

W0.500.600.700.800.901.001.101.20

Imagen 1.3 Potencia en funcin del rgimen, para diferentes valores de la relacin entre carrera y dimetro

1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000

20

40

60

80

100

120

140

RPM

W

0.500.600.700.800.901.001.101.20

Imagen 1.4 Potencia en funcin del rgimen, para la relacin entre carrera y dimetro elegida de 0.80



1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,0002

4

6

8

10

12

14

RPM

BMEP

0.500.600.700.800.901.001.101.20

Imagen 1.5 Presin media efectiva en funcin del rgimen, para diferentes valores de la relacin entre carrera ydimetro

1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,0002

4

6

8

10

12

14

RPM

BMEP

0.500.600.700.800.901.001.101.20

Imagen 1.6 Presin media efectiva en funcin del rgimen, para la relacin entre carrera y dimetro elegida de0.80


1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,0000.24

0.26

0.28

0.30

0.32

0.34

0.36

0.38

0.40

0.42

0.44

RPM

0.500.600.700.800.901.001.101.20

Imagen 1.7 Presin media efectiva en funcin del rgimen, para diferentes valores de la relacin entre carrera ydimetro

1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,0000.24

0.26

0.28

0.30

0.32

0.34

0.36

0.38

0.40

0.42

0.44

RPM

0.500.600.700.800.901.001.101.20

Imagen 1.8 Presin media efectiva en funcin del rgimen, para la relacin entre carrera y dimetro elegida de0.80



1.3. Distribucin de admisin y escape

1.3.1. Avance de Apertura de la vlvula de AdmisinEn general, es conveniente adelantar la apertura de las vlvulas de admisin y escape porque las

vlvulas no se bren inmediatamente, como se muestra en la figura 1.9. La mezcla aire/combustiblese encuentra en movimiento, en consecuencia, abrir la vlvula de admisin antes que el pistn llegue alPMS, permite que sta inyecte mezcla en el cilindro durante ms tiempo, consiguiendo un mejor llenado.

Sin embargo, un excesivo adelanto de admisin puede empeorar la potencia y el par motor, porquela mezcla de aire y combustible que entra se encuentra con los gases de combustin que todava quedanen el cilindro, disminuyendo el rendimiento de la combustin. Adems, si hay un avance de admisindemasiado grande los gases de combustin no estn encaminados hacia la vlvula de escape, y por sto

Imagen 1.9 Apertura de la vlvula real, con avance y sin avance

1.3 Distribucin de admisin y escape 9

pueden regresar en el conducto de admision desacelerando la mezcla de aire y combustible, y empeoran-do la admisin y el llenado del cilindro.

En el instante de apertura de la vlvula de admisin, esta tiene un efecto muy importante en lasactuaciones del motor, y la ganancia en prestaciones depende de el rgimen de giro: con un bajo nmerode vueltas empeora el funcionamiento del motor, porque la mezla de aire y combustible que entra enel cilindro encuentra los gases de combustin que todava quedan en el cilindro, y sto disminuye elrendimiento de la combustin.

Los valores tpicos de avance se sitan entre 5 y 15.

1.3.2. Retraso al cierre de la vlvula de AdmisinUna vez fijada la relacin de carrera/diametro (s/b) se procede a calcular la influencia del ngulo de

retraso al cierre de la vlvula de admisin en las actuaciones del motor. En el diagrama 1.9 en la pginaanterior se observa que para valores positivos del ngulo de retraso de la vlvula (RCA), se obtiene unmejor llenado del cilindro y, por consiguiente, habr un aumento en el valor de las actuaciones del motor.En la grfica 1.23 a pagina 19 de Potencia vs. Rpm se observa como el ngulo (RCA) tiene influencia, detal manera que se obtiene un aumento en la potencia partiendo con valores (0, 10, .... 60). As comoen la grfica anterior se muestra la variacin de la potencia, la BMEP de igual manera varia con el ngulo(RCA), como se muestra en figura 1.24 a pagina 20.

Se puede notar que el valor ptimo del ngulo para potencia mxima es de 50, aunque para ngulosms grandes se obtendra a una potencia mxima an ms elevada, empeorando el comportamiento argimen bajo. Por otro lado, el valor mximo del rendimiento se obtiene para un ngulo de 20 pero,sto empora el rendimiento para un rgimen alto. Entonces, se escoge el valor ptimo de 40 para elrendimiento del motor. El ngulo de 40 de RCA tambin es el valor ptimo para la presin mediaefectiva, ya que esta ligado a un buen comportamiento a bajo y alto rgimen.

Teniendo que elegir entre los dos, se ha preferido optimizar el rendimiento, y se ha elegido comovalor ptimo para el retraso al cierre de la vlvula de admisin rca = 40 porque permite u aumento en lapotencia (an que no sea el valor ms elevado), tambin optimiza el rendimiento, y no produce prdidasde presin media efectiva como las que se producen con valores ms elevados de RCA.



1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,0000

20

40

60

80

100

120

RPM

W

RCA = 0 RCA = 10 RCA = 20 RCA = 30 RCA = 40 RCA = 50 RCA = 60

1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,0000

20

40

60

80

100

120

RPM

W


Imagen 1.10 Variacin de la potencia funcin del rgimen para diferentes valores de retraso al cierre de la vlvulade admisin


1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,0002

4

6

8

10

12

14

RPM

BMEP


1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,0002

4

6

8

10

12

14

RPM

BMEP


Imagen 1.11 Variacin de la presin media efectiva funcin del rgimen para diferentes valores de retraso al cierrede la vlvula de admisin



1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,0000.30

0.32

0.34

0.36

0.38

0.40

0.42

0.44

RPM


1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,0000.30

0.32

0.34

0.36

0.38

0.40

0.42

0.44

RPM


Imagen 1.12 Variacin del rendimiento en funcin del rgimen para diferentes valores de retraso al cierre de lavlvula de admisin


1.3.3. Adelando de la aperutra de la vlvula de escapeComo se ha observado anteriormente con la vlvula de admisin lo mismo sucede con la vlvula de

escape, los fabricantes han demostrado que adelantar la apertura de la vlvula de escape produce efectosbeneficiosos:

Facilita el vaciado de los gases residuales producidos por la combustin , es decir, permite que elvaciado en el cilindro sea ms rpido, esto se debe a que an existe presin en el cilindro y fa-cilita la evacuacin de los gases.

Evita que exista un reflujo de gases hacia la vlvula de admisin cuando esta comience su aperturapara el proceso de admisin.

Se favorece la refrigeracin del motor , porque los gases calientes de la combustin permanecen me-nos tiempo en el cilindro.

Tambin se tiene que tener en cuenta que adems de obtener los efectos antes mencionados, el adelantotambin influye en el trabajo del ciclo, es decir, con adelantos muy grandes o ngulos grandes, el trabajode ciclo tiende a disminuir y esto se puede observar en el diagrama presin-volumen del ciclo en el quese observa que el rea encerrada representa el trabajo de ciclo y sta disminuye al aumentar el adelanto,como se muestra en las figuras 1.20 a pagina 17, 1.21 a pagina 18 y 1.22 a pagina 18.

Para conocer que ngulo es el ptimo para el adelanto a la apertura de la vlvula de escape se rea-lizaron varias iteraciones con valores de AAE (0, 10,. . . 70), y tres regmenes diferentes: ralent(1000rpm), crucero (3000rpm) y mxima potencia (7000rpm), que a continuacin se muestran.

AAE 1000 rpm 3000 rpm 7000 rpm

0 605.45 687.60 536.3010 607.90 693.70 544.8020 608.80 698.00 551.7030 608.20 700.40 556.9040 606.00 701.00 556.5050 602.00 699.60 560.5060 595.90 696.10 562.4070 587.30 690.10 560.60

Tabla 1.2 Trabajo de ciclo para diferentes valores de AAE

Realizando un grfico representativo de las iteraciones se observa en el siguiente grfico que el nguloptimo de AAE es de 30 ya que con ese ngulo se obtienen en dos regmenes diferentes casi el mximotrabajo de ciclo mientras que en los otros solo se tiene un mximo a un solo rgimen de giro. Adems,esto mejora el trabajo, y por esto el rendimiento, para un rgimen bajo de hasta 4000 rmp.



Imagen 1.13 Variacin del trabajo en funcion del rgimen para diferentes valores de adelanto de apertura de lavlvula de escape

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70

10

20

30

40

50

60

70

80

V [l]

P[bar]

AAE = 0 AAE = 10 AAE = 20 AAE = 30 AAE = 40 AAE = 50 AAE = 60

Imagen 1.14 Variacin del trabajo en funcion del rgimen para diferentes valores de adelanto de apertura de lavlvula de escape, a 1000 rpm


0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70

20

40

60

80

V [l]

P[bar]


Imagen 1.15 Variacin del trabajo en funcion del rgimen para diferentes valores de adelanto de apertura de lavlvula de escape, a 3000 rpm

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70

10

20

30

40

50

60

70

V [l]

P[bar]


Imagen 1.16 Variacin del trabajoen funcion del rgimen para diferentes valores de adelanto de apertura de lavlvula de escape, a 7000 rpm



0.50 0.51 0.52 0.53 0.54 0.55 0.56 0.57 0.581

2

2

3

3

4

4

V [l]

P[bar]


Imagen 1.17 Variacin del trabajo en funcion del rgimen para diferentes valores de adelanto de apertura de lavlvula de escape, a 1000 rpm - zoom

0.50 0.51 0.52 0.53 0.54 0.55 0.56 0.57 0.581.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

V [l]

P[bar]




0.50 0.51 0.52 0.53 0.54 0.55 0.56 0.57 0.58

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

V [l]

P[bar]



0.50 0.51 0.52 0.53 0.54 0.55 0.56 0.57 0.581

2

2

3

3

4

4

V [l]

P[bar]


Imagen 1.20 Variacin del trabajo en funcion del rgimen para diferentes valores de adelanto de apertura de lavlvula de escape, a 1000 rpm, curva de maximo trabajo y valor elejido - zoom



0.50 0.51 0.52 0.53 0.54 0.55 0.56 0.57 0.581.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

V [l]

P[bar]



0.50 0.51 0.52 0.53 0.54 0.55 0.56 0.57 0.58

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

V [l]

P[bar]




1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,0000

20

40

60

80

100

120

RPM

W


1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,0000

20

40

60

80

100

120

RPM

W


Imagen 1.23 Variacin de la potencia en funcion del rgimen para diferentes valores de adelanto de apertura de lavlvula de escape



1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,0000

2

4

6

8

10

12

14

RPM

BMEP


1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,0000

2

4

6

8

10

12

14

RPM

BMEP


Imagen 1.24 Variacin de la precin media efectiva en funcion del rgimen para diferentes valores de adelanto deapertura de la vlvula de escape


1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,0000.36

0.37

0.38

0.39

0.40

0.41

0.42

0.43

RPM


1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,0000.36

0.37

0.38

0.39

0.40

0.41

0.42

0.43

RPM


Imagen 1.25 Variacin del rendimiento en funcion del rgimen para diferentes valores de adelanto de apertura dela vlvula de escape



1.4. Adelanto de Inicio Combustion

Imagen 1.26 El primer distribuidor de fase, Variable Camshaft Timing, realizado por Alfa Romeo

El Encendido de la buja se suele poner con adelanto respecto al PMS porque la combustin no esinstantnea y el encendido de la buja no puede ser en el punto muerto superior ya que el mximo dela presin se situa 15 despus del PMS con ningn adelanto al encendido. Por lo que, para situar elmximo de la presin cerca del PMS, y sacar el mximo de la potencia, es necesario tener un adelanto alencendido. Adems, para un rgimen mayor se deber tener ngulos mayores si se quiere que la presiny la potencia se mantengan como se mencion anteriormente y manteniendo constante el tiempo entreel encendido de la buja y la posicin del mbolo en el punto muerto superior.

Para que el Encendido se realice siempre al ngulo ptimo por cada rgimen, los motores modernosutilizan un distribuidor de fase, 1.42 a pagina 33.

Para cada valor de la relacin de compresin geomtrica se ha calculado un valor de adelanto deinicio a la combustion que optimice el ciclo, es decir que genere mayor potencia y menor consumo. Losresultados se muestran en la figura 1.28 en la pgina siguiente. Se puede observar que:

Para rg mayores el ngulo de Adelanto al Encendio ptimo es mayor

A bajo rgimen el ngulo de Adelanto al Encendido ptimo es ms pequeo que para alto rgimen

Para mostrar la curva del ngulo de Adelanto de Inicio Combustion en funcin del rgimen, losvalores calculados en el codigo OTTO.m son de 1 de precisin, como se muestra en la figura 1.30 apagina 24, y por ello se utiliz el mtodo Levemberg-Marquardt para el ajuste de curva con valorescalculados ms precisos.

1.4 Adelanto de Inicio Combustion 23

1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,00012

14

16

18

RPM

AICB[]

Imagen 1.27 Ejemplo de ajuste de curva de los angulos ptimos de adelanto de encendido, para rg = 5

1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,0000

2

4

6

8

10

12

14

16

18

RPM

AICB[]

rg = 5rg = 6rg = 7rg = 8rg = 9rg = 10rg = 11rg = 12rg = 13rg = 14rg = 15

Imagen 1.28 ngulo ptimo de Adelanto de Inicio Combustin (AICB) en funcin del rgimen (RPM), paradiferentes valores de la relacin de compresin geomtrica (rg)



Imagen 1.29 ngulo ptimo de Adelanto de Inicio Combustin (AICB) en funcin del rgimen (RPM), paradiferentes valores de la relacin de compresin geomtrica (rg) - 3D

1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000

2

4

6

8

10

12

14

16

RPM

AICB[]


Imagen 1.30 ngulo ptimo de Adelanto de Inicio Combustin (AICB) en funcin del rgimen (RPM), paradiferentes valores de la relacin de compresin geomtrica (rg) - curve fitting

1.4 Adelanto de Inicio Combustion 25

Imagen 1.31 ngulo ptimo de Adelanto de Inicio Combustin (AICB) en funcin del rgimen (RPM), paradiferentes valores de la relacin de compresin geomtrica (rg) - curve fitting - 3D



1.5. El fenmeno de la detonacin

Imagen 1.32 Piston daado por autoignicin

La autodetonacin es un fenmeno caracterizado por una mala combustin en el cilindro, que pro-duce un fuerte ruido y puede daar la superficie de la cabeza del pistn. Se debe a las altas presiones ytemperaturas que se alcanzan en la cmara.

La combustin ideal consistira en un frente de llama que surge en la buja y se propaga por lacmara con velocidad finita. En caso de autodetonacin, se produce la combustin de algunas partculasde combustible que an no han sido afectadas por el frente de llama original y tambin puede ocurrir queestas partculas generen un segundo frente de llama, que junto al frente de llama original, comprime laspartculas de combustible que se encuentran entre los dos frentes, hecho que produce la detonacin dems partculas, como se muestra en la figura 1.33.

Imagen 1.33 Esquema de combustin ideal, detonacin y pre-ignicin

Las causas principales de la autodetonacin son:

Se supera la temperatura de autoignicin de algunas particulas del combustible, que para un tiempomayor del tiempo de incubacin del combustible, no son alcanzadas por el frente de llama. Enconsecuencia, el combustible no se quema gradualmente.

1.5 El fenmeno de la detonacin 27

Elevado adelanto del ngulo de inicio de combustin, la combustin empieza antes, por lo que se al-canzan presiones mayores en la cmara de combustin.

Relacin de compresin geometrica elevada .

Presin de sobrealimentacin elevada .

Mala Carburacin, si hay una relacin entre aire y combustible errnea, la mezcla sera demasiadopobre.

Utilizacin de combustible con nmero de octanos bajo.

Dimetro del cilindro demasiado elevado, el volumen mnimo es ancho; por eso hay zonas demasiadolejos (en anchura) que tardan mucho en ser alcanzadas por el frente de llama.

Acumulacin de residuos de combusin en la superficie del pistn.

Imagen 1.34 Vibraciones por detonacin

El peligro de detonacin es ms elevado para bajo rgimen de giro y carga elevada: si la aceleracines demasiado alta a bajo rgimen, favoreciendo an ms la autodetonacin.

Por eso, para conseguir un bajo peligro de autodetonacin se necesita un diseo adecuado y un buenmantenimiento del motor, adems de la utilizacin de un combustible con nmero de octanos elevado yla reduccin de residuos producidos durante la combustin.

Tambin, la eleccin de la forma de la cabeza del cilindro ptima puede bajar el peligro de detona-cin, para ello se utiliza el squish geomtrico, hemisfrico o cono truncado.

En el diseo del motor se ha calculado el peligro de detonacin con la frmula (1.1); para cada valorde relacin de compresin y con el correspondiente ngulo ptimo de adelanto de combustin, tomandoel valor mximo de peligro de detonacin igual a 0.60.

det =1

DRCA

1TR(P,T )

d (1.1)

A continuacin, se muestran los grficos del peligro de detonacin en funcin del rgimen de giro ypara diferentes valores de relacin de compresin geomtrica.



1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,0000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

RPM

Peligro

dedetonacin


Imagen 1.35 Variacin del peligro de detonacin en funcin del rgimen para diferentes valores de adelanto deapertura de la vlvula de escape

Por ltimo, se ha elegido el valor de relacin de compresin ptima igual a 13.80 que tiene un peligrode detonacin mximo (para el menor rgimen estudiado, 1000 rpm), igual a 0.60. Fijada la relacin decompresin geomtrica adecuada, se pueden elegir los ngulos de adelanto de inicio combustin enfuncin del rgimen, como se muestra en figura 1.36 en la pgina siguiente

1.5 El fenmeno de la detonacin 29

1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,0000

2

4

6

8

10

12

14

RPM

AICB[]

rg = 13.80

Imagen 1.36 ngulo ptimo de Adelanto de Inicio Combustin (AICB) en funcin del rgimen (RPM),



Relacin carrera/dimetro (s/b) 0.80

Retraso al Cierre de vlvula de Admisin (RCA) 40

Adelanto en la Apertura de la vlvula de Escape (AAE) 30

Relacin geomtrica 13.80

Tabla 1.3 Parmetros elegidos para Motor alternativo Otto de 4 tiempos

1.6. Curvas de las Actuaciones a Plena CargaUna vez encontrados todos los parmetros en la tabla 1.3, se muestra a continuacin las curvas de las

actuaciones del motor.

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70

20

40

60

80

100

V [l]

P[bar]

1000 rpm3000 rpm7000 rpm

Imagen 1.37 Diagrama presin volumen para nuestro motor con los parametros de diseo fijados anteriormente

1.6 Curvas de las Actuaciones a Plena Carga 31

0 100 200 300 400 500 600 700

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

[]

P[bar]

1000 rpm3000 rpm7000 rpm

Imagen 1.38 Diagrama de la presin en funcin del ngulo de giro del cigueal para nuestro motor con los para-metros de diseo fijados anteriormente

0 100 200 300 400 500 600 7000

500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

4,000

[]

T[K]

1000 rpm3000 rpm7000 rpm

Imagen 1.39 Diagrama de temperatura en funcin del ngulo de giro del cigueal para nuestro motor con losparametros de diseo fijados anteriormente



1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,0000

20

40

60

80

100

120

rpm

W

Imagen 1.40 Potencia en funcin del rgimen para nuestro motor con los parametros de diseo fijados anterior-mente

1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,0008

9

10

11

12

13

14

rpm

BMEP

Imagen 1.41 Presin media efectiva en funcin del rgimen para nuestro motor con los parametros de diseofijados anteriormente

1.6 Curvas de las Actuaciones a Plena Carga 33

1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,0000.36

0.37

0.38

0.39

0.40

0.41

0.42

0.43

0.44

rpm

Imagen 1.42 Rendimiento en funcin del rgimen para nuestro motor con los parametros de diseo fijados ante-riormente


Trabajo de Ciclo TermodinmicoObjetivoEleccin de la relacin entre carrera y dimetroInfluencia de la relacin carrera/dimetro en las actuaciones del motorEleccin de la relacin carrera dimetro en el caso presentado

Distribucin de admisin y escapeAvance de Apertura de la vlvula de AdmisinRetraso al cierre de la vlvula de AdmisinAdelando de la aperutra de la vlvula de escape

Adelanto de Inicio CombustionEl fenmeno de la detonacinCurvas de las Actuaciones a Plena Carga

Date post:	17-Dec-2015
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