1 Introduccin

Los motores de combustin interna que son la fuente de energa de los automviles modernos, han cambiado muy poco desde sus diseos iniciales, ya casi un siglo atrs. A diferencia de otros avances de alta tecnologa, los motores alternativos aun dependen de la comprensin de los principios bsicos de termodinmica y mecnica de fluidos. Por supuesto que se han producido cambios a lo largo de todos estos aos, pero han sido lentos y orientados a las dimensiones y materiales de los motores, ms que al diseo y ciclo de funcionamiento del mismo.

El estudio cualitativo de los conductos y cmaras de combustin para motores alternativos de encendido por chispa de alta performance (motores de competicin) fue inicialmente abordado por el Ing. ngel Zanotti, graduado de la UTN - Facultad Regional Crdoba, que actualmente esta realizando su doctorado en mecnica computacional en el CIMEC - INTEC, Santa Fe. Junto con l, el autor de este trabajo hizo sus primeras incursiones en el campo de la simulacin del flujo en motores de combustin, campo que por cierto es muy amplio y en constante evolucin.

El presente trabajo se inicia con motivo del congreso de Mecnica Computacional MECOM 2005, llevado a cabo en la cuidad de Buenos Aires en el mes de Noviembre de ese ao. La idea era comparar los resultados experimentales del flujo en una tapa de cilindros (realizadas en un flujmetro) con los resultados numricos de una simulacin, hecho que obligo a la construccin de un modelo de la tapa de cilindros. La construccin del modelo ha sido la tarea mas complicada y la que demanda la mayor cantidad de tiempo. Sin embargo, los resultados numricos fueron tan cercanos a los resultados experimentales (errores del orden del 4 % en el peor de los casos), que es optimista pensar que lo inverso tambin es posible, llevar a la realidad un diseo que nace de un modelo de simulacin. El trabajo gano el primer premio en la seccin posters de estudiantes de grado.

En el diseo de motores alternativos de alta performance tres nmeros adimensionales juegan un rol dominante: estos son el coeficiente de descarga, el ndice de swirl y tumble. El primero es una medida de las prdidas de presin introducidas por la combinacin vlvula, conducto de admisin y cilindro; el segundo es un ndice del movimiento rotacional de la carga alrededor de un eje que es paralelo al eje del cilindro, mientras que el tercero es un ndice del movimiento rotacional de la carga alrededor de un eje normal al eje del cilindro.

Cabe destacar que existe una competencia entre el coeficiente de descarga y los ndices de swirl y tumble. Una modificacin en un conducto en post de mejorar el ndice ya sea de swirl o de tumble, trae aparejado un aumento de prdida de carga, con su consiguiente reduccin de coeficiente de descarga. No obstante, en el motor, no necesariamente se traduce en una perdida de potencia, ya que si bien la cantidad de carga introducida va a ser menor, la calidad de la misma resulta superior, favoreciendo la evolucin del frente de llama.

Un cuarto nmero adimensional, conocido como ndice de Mach, tambin proporciona valiosa informacin acerca del flujo en el conducto de admisin. Es una medida de la velocidad del flujo en el conducto, promediada en todo el intervalo de apertura de la vlvula. Permite evaluar la eficiencia del motor para distintas alzadas y dimetros de vlvulas.

A lo largo del texto, se explicaran de forma cualitativa los tipos de combustin y los mtodos para intensificarla, los macro movimientos de tumble y swirl y su influencia en el funcionamiento del motor. Finaliza con los resultados numricos mencionados y una breve explicacin de los fenmenos fsicos que se observan en cada caso.

La idea es continuar con esta lnea de investigacin y profundizar el estudio de la fsica del flujo. Se prev mejorar el modelo actual y agregarle los elementos para realizar mediciones numricas concretas del ndice de tumble y swirl, para interactuar de forma mas directa con los casos reales que se presentan en la practica. Se est a plena disposicin para interactuar y trabajar en forma conjunta con la UTN Facultad Regional Santa Fe, tratando as de investigar, divulgar y perfeccionar esta rama de los motores de combustin interna.

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2 Combustin en el cilindro 2.1 Combustin normal

Para explicar cmo se desarrolla la combustin se han elaborado varias teoras, la mayor parte de ellas fundadas en datos experimentales. Ellas difieren entre s por ciertos aspectos, pero en general concuerdan al distinguir dos fases principales: una de preparacin o precombustin y una de combustin propiamente tal. Durante la fase de preparacin la chispa proporcionada por la buja genera una reaccin local que da lugar a la formacin de algunos reaccionantes intermedios. stos a su vez crean las condiciones para el inicio y la propagacin de la combustin. Cuando salta la chispa, el combustible proveniente del carburador o sistema de inyeccin est ya vaporizado porque ha sido expuesto al calor de la compresin y est ntimamente mezclado con el aire necesario para la combustin. Alrededor de la chispa se forma la llama inicial, a partir de la cual la combustin se propaga gradualmente a toda la carga segn un frente de llama representado por la superficie ms o menos irregular de separacin entre la parte de mezcla ya quemada y aqulla carga que an no lo est. A medida que la combustin avanza y se completa, la presin en el cilindro aumenta rpidamente, pero de manera suave y regular.

Un proceso de combustin que se desarrolle de la manera descrita se define como combustin normal. El encendido se produce en el instante deseado como consecuencia de la chispa y las partculas individuales comienzan a quemarse cuando son alcanzadas por el frente de llama y no antes. No se tienen otros inicios de combustin causados por depsitos de carbn o por partes sobrecalentadas de la buja o de la cmara de combustin; la combustin se desarrolla de manera gradual, por lo que el desarrollo de energa por parte de la mezcla en combustin es progresivo y regular. 2.2 Velocidad de propagacin del frente de llama

En una mezcla homognea el frente de llama se desplaza en la cmara de combustin con una velocidad que depende de la velocidad de combustin y de otra velocidad que llamaremos de traslacin.

La velocidad de combustin se refiere al avance de la reaccin qumica de oxidacin del combustible. La velocidad de traslacin se refiere en cambio al movimiento fsico del frente de llama con relacin a las paredes de la cmara, causado por la diferencia de presin entre los gases quemados y los que an estn por quemarse.

Para hacer ms claro el fenmeno nos referimos a la Fig. 2.1. Dividamos la cmara de combustin en tres partes A-B-C e imaginemos que la llama avanza de izquierda a derecha. Si la masa de mezcla A est completamente quemada, se expande y comprime las partes de mezcla B y C a volmenes ms pequeos y de mayor densidad. El frente de llama ha avanzado en la zona A con la velocidad de combustin, y ha sido ulteriormente desplazado como consecuencia de la traslacin. Cuando el frente de llama avanza en la zona B, sta se expande a su vez comprimiendo ulteriormente el gas C a un espacio an menor, comprimiendo tambin en cierta medida los gases de la zona A. Si se presupone que el nmero de las divisiones es infinito, el resultado es el de una llama que avanza gradualmente no slo porque se completa la reaccin qumica, sino tambin por efecto de la traslacin debida a la expansin de los gases.

Fig. 2.1: Propagacin del frente de llama

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El anlisis fotogrfico del fenmeno (conseguido con 15000 a 20000 fotogramas por segundo a

travs de una ventanilla de cuarzo) indica que al atravesar la cmara de combustin la llama avanza inicialmente a velocidad relativamente baja. En efecto, al comienzo, la masa de carga quemada es pequea y la propagacin se debe sobre todo a la reaccin qumica. Por otra parte los electrodos de la buja estn casi al ras de la pared de la superficie de la cmara y por lo tanto la chispa salta en un estrato de gas adherido a la pared donde la turbulencia es reducida, por lo que la reaccin es relativa-mente lenta. Apenas la llama alcanza una zona de mayor turbulencia y afecta a una mayor masa de mezcla, avanza ms rpidamente con velocidad ms bien constante. Es la que normalmente llamamos velocidad de la llama. Hacia el final del recorrido el volumen de los gases por quemar es pequeo, el efecto de traslacin resulta despreciable as como tambin el de la reaccin qumica como consecuencia de la disminucin de la turbulencia, por lo que la velocidad de la llama disminuye.

Son de gran importancia para el rendimiento del ciclo el momento en el que comienza la combustin y el tiempo empleado por sta para completarse.

En efecto, la combustin no se produce instantneamente en el P.M.S. como est previsto en el ciclo ideal, sino que comienza un poco antes y se desarrolla durante un cierto tiempo despus del P.M.S. Por esto la presin hacia el final de la carrera de compresin aumenta, incrementando el trabajo de compresin, y disminuye al comienzo de la carrera de expansin reduciendo el trabajo til. Como consecuencia el rendimiento del ciclo real es inferior al del ciclo ideal en un porcentaje tanto mayor cuanto mayor es la duracin de la combustin. Los factores de los cuales depende el tiempo necesario para la combustin son:

la velocidad de propagacin del frente de llama la longitud del recorrido que el frente de llama debe realizar, recorrido que depende de las

dimensiones y forma de la cmara de combustin y de la posicin de la buja. 2.3 Variacin de la presin durante la combustin

La velocidad de aumento de la presin, o gradiente de presin, durante la combustin ejerce una

notable influencia sobre la presin mxima y sobre la progresividad con la que la fuerza desarrollada por el flu