Rendimiento Adiabático de la Cámara de combustión Alumnos: Asborno, Martin 54858/0 Díaz, Enzo 55011/2 Di Bin, Ricardo 54310/6 Profitos, Mauro 54616/3
Combustión 2 Rendimiento de adiabaticidad de la cámara de combustión En la fase de combustión se tiene una sensible pérdida de calor a través de la pared de la cámara. Esta pérdida tiene consecuencia directa en la disminución de la potencia obtenida. Esto ocurre debido a las temperaturas alcanzadas por los gases durante la combustión (del orden de 2500 C) que se corresponden de manera similar a saltos altos de temperatura entre el gas y paredes de la cámara, que sumado al alto coeficiente térmico de intercambio debido a la alta turbulencia del fluido y la alta densidad, favorece la transferencia. Referido a la corriente de aire en la cámara de combustión, el término turbulencia indica el tipo de movimiento de aire que hay dentro de la cámara, durante la fase de admisión e inicio de la compresión. Básicamente hay dos tipos de turbulencias: «swirl» y «tumble».swirl se da cuando hay un movimiento rotatorio del aire alrededor de un eje perpendicular a la cámara de combustión. Tumble se da cuando el giro se da en un eje transversal a la cámara de combustión. Los pequeños remolinos de aire, provocados principalmente por la forma del pistón, se conocen en inglés como «squish». Análisis Genérico No es difícil hacer un breve análisis del fenómeno, con el fin de extraer las consecuencias principales sobre el motor. El rendimiento adiabático de la cámara de combustión se define como la relación entre el calor que participa realmente en el ciclo de calor y el generado por la combustión:
Combustión 3 Donde Q p indica la pérdida de calor a través de las paredes de la cámara. La relación en el segundo miembro de la última expresión representa el porcentaje de pérdida de calor que es generado por el proceso de combustión. Minimizar este término es equivalente a maximizar el retorno en cuestión. Es fácil calcular esta relación. De hecho: Dónde: K c es el coeficiente de intercambio de calor. S c la superficie de la cámara de combustión. T g es la temperatura del gas. T pc es la temperatura de las paredes. t c es el tiempo de combustión. Siendo: P f es el camino de la llama en la práctica, es decir, la distancia máxima entre la llama y las paredes. v f es la velocidad total de la llama. Entonces: Por Termocinética se sabe que el coeficiente de transferencia de calor es aproximadamente:
Combustión 4 Dónde: ρ c es la densidad del fluido en la cámara. v gp la velocidad en régimen turbulento del gas en dirección paralela a las paredes de la cámara. D es el diámetro del cilindro. La primera expresión nos lleva a la densidad del fluido en el extremo de succión y la relación de compresión CR. En el segundo miembro se recuerda que toda la velocidad de la turbulencia (y por tanto de la llama) es proporcional a la velocidad media del pistón (u). Por lo tanto: Las fórmulas expresan el hecho de que, dada la alta temperatura de los gases en la combustión, la diferencia de temperatura entre gases de combustión y paredes que pueden aproximarse con la diferencia entre la temperatura del gas y la temperatura final de compresión, T fc, que a su vez es igual al incremento en temperatura en condiciones isocoras producido por la combustión de la mezcla aire/combustible efectiva. Así que en última instancia Obtenemos ahora Q b:
Combustión 5 Dónde: m b es la masa del combustible presente en la cámara. V c es el volumen de la cámara. La relación buscada es por lo tanto proporcional a la duración. Para una determinada velocidad deseada (cte), la relación de Q p /Q b es más baja cuanto: 1- Mayor es la densidad del fluido aspirado. Desde el punto de vista de las pérdidas térmicas son por lo tanto favoritos los motores sobrealimentados. 2- Mayor es el diámetro de cilindro, es decir, para un determinado coeficiente diámetro/carrera, mayor será el tamaño del cilindro. Desde el punto de vista de las pérdidas térmicas son por lo tanto favoritos los motores menos fraccionados (Menor número de cilindros de diámetros mayores). 3- Mayor es la velocidad media del pistón, aumentando las revoluciones y por ende el rendimiento adiabático del ciclo. 4- Menor es el factor de forma de la cámara de combustión. Observe que está dado por el producto entre la trayectoria de la llama y la relación superficie/volumen de la cámara. De este último punto se deduce fácilmente que esta relación es mínima para la cámara esférica (encendido en el centro) y mediante el aumento de
Combustión 6 otras formas que se desvían de ella. Es decir, es inferior cuanto más "compacta" (similar a la esfera) es el diseño de la cámara. Cabe destacar que el diseño esférico no es sólo una ventaja para las razones de detonación vistas precedentemente, sino también minimiza las perdidas durante la fase de combustión térmica. Análisis Particular MOTOR FORD FAIRMONT MODELO 1979 Fig. 1: Ford Fairmont modelo 1979. Datos técnicos del motor: Motor V8 (8 en V). Cilindrada total 302 pulg³ (5000 cc.) Diámetro del pistón 4.000 pulgadas. Carrera de los pistones 3.000 pulgadas. Relación de compresión 8.4 : 1 Potencia 140 HP @ 3600 rpm. Apriete 250 @ 1800 (pies lib.) Presión del aceite @ 2000 rpm 40 65. Bujías ASF 52. Calibración abertura.050 pulg. Distribuidor Electrónico.
Combustión 7 Las válvulas de admisión se abren 16 grados antes del PMS. Presión de la bomba de combustible 5 ½ - 6 ½ lb./ pulg². Orden de encendido 1 5 4 2 6 3 7 8. Propulsores hidráulicos. Fig. 2: Corte transversal del motor. Cámara de Combustión Unos de los aspectos fundamentales referente a las cámaras de compresión es la forma en que están diseñadas, factor que influye en la potencia y performance del mismo motor. Fig. 3: Cámara de Combustión Cilíndrica.
Combustión 8 Este diseño emplea una cámara de combustión del tipo Cilíndrica, siendo económica y presentando un buen funcionamiento. Con un diseño sencillo este tipo de cámara permite que la chispa de la bujía provoque la ignición muy cercana al punto de mejor aprovechamiento. Las válvulas están en el bloque, no la cabeza, y se abren en una cámara al lado del pistón. La cabeza en un diseño plano es muy sencillo es una lámina sólida de fundición con un agujero para la bujía. El árbol de levas en el bloque empuja directamente sobre la puntas de las válvulas, eliminando la necesidad de balancines y rodillos. Todo es más sencillo en este diseño. Su problema es la eficiencia térmica. Si bien esta geometría presenta muy buenas prestaciones, se ve superada por las cámaras del tipo hemisféricas. Propuesta de Mejora Reemplazo de diseño de la Cámara de combustión cilíndrica por una del tipo hemisférica. Debido al gran espacio que poseen las cámaras de combustión del tipo hemisféricas, permite que los orificios de admisión y escape sean de gran tamaño, lo cual hace que cuando el motor está a un alto régimen de revoluciones produzca una gran potencia. La bujía que está colocada en el centro de la cámara hace que la inflamación de la mezcla sea rápida y homogénea. En este tipo de cámaras se puede hacer que el pistón, inicialmente plano, lleve un abultamiento en su parte central, lo que se traduce en un aumento en la relación de compresión y se aumenta la superficie de dispersión.
Combustión 9 Fig. 4: Cámara de Combustión Hemisférica. La pérdida de calor a las paredes y cabeza del cilindro es una de las ventajas clave del motor de cámara hemisférica sobre los cilíndricos. Superficie causa pérdida de calor. Combustible cerca de los laterales de la cabeza puede que esté tan frío que no queme correctamente. Con una cámara plana, el área total relativa al volumen de la cámara de combustión es grande mientras que en una hemisférica la relación es menor. Esto hace que se pierda menos calor y por tanto menos presión. Una cosa que un motor de cámara hemisférica no tendrá jamás son cuatro válvulas por cilindro. Es imposible diseñarlo por cuestiones de geometría. El problema de las dos válvulas por cilindro es que si queremos llegar a regímenes altos de giro la respiración del motor no será la misma que si tuviéramos cuatro válvulas por cilindro. Si bien dicha cámara mejora el rendimiento adiabático ya que se logra un menor recorrido de la llama de la mezcla para llegar desde la chispa de la bujía a la cabeza del pistón gracias a la simetría de su forma, es preciso adoptar soluciones particulares para la distribución, ya que los ejes de las válvulas no son paralelos. En los motores más recientes, las exigencias para obtener elevadas relaciones de compresión con grandes turbulencias y costos de producción reducidos han limitado el uso de estas cámaras, a pesar de que siguen considerándose como las mejores en lo que respecta a la posibilidad de adoptar válvulas de gran diámetro.