Capítulo 4 - MÚLTIPLE DE ADMISIÓN

            La labor principal de un múltiple de admisión (MA) es la de distribuir una cantidad de aire a cada cilindro de forma idéntica para mantener óptimo el desempeño del motor. Un múltiple de admisión consta esencialmente de los siguientes elementos: restrictor, difusor, plenum, y los conductos o runners que van a cada cilindro.

            En el funcionamiento de un motor CI se presenta un fenómeno en el cual la presión se comporta en forma de onda, es decir, sufre pérdidas intermitentes debido a la caída de presión durante la fase de admisión que se lleva a cabo en los cilindros. Dependiendo de la amplitud y fase de dichas ondas de presión, el abastecimiento de los cilindros puede ser afectado positiva o negativamente. La amplitud y fase de las ondas de presión dependen la geometría del MA, la velocidad del motor y el periodo de apertura de las válvulas [4]. Por otra parte los cambios de presión dentro del MA pueden hacer que el flujo de aire pueda alcanzar velocidades por encima de la velocidad del sonido en altas RPM [5].

4.1 Objetivos en el diseño de un sistema de admisión

A continuación se enlistan algunos aspectos ideales a obtener dentro del diseño de un sistema de admisión [3]:

1.    El flujo hacia los cilindros deberá ser lo más directo posible.

2.    Las cantidades de flujo entregadas a cada cilindro deberán ser iguales.

3.    Se debe procurar proveer de una carga uniforme a cada cilindro, con una mezcla homogénea entre cada uno.

4.    Los intervalos de aspiración deberán ser  idénticos para cada ramificación del múltiple de entrada.

5.    Procurar que el diámetro del tracto de admisión sea lo más pequeño posible que mantenga una velocidad de flujo de aire adecuada a baja velocidad, sin interferir en la eficiencia volumétrica en el rango de alta velocidad.

6.    Reducir la fricción en las paredes del conducto de admisión.

7.    Proveer precalentamiento al sistema de admisión para arranque en frío y durante periodos de calentamiento.

8.    Capacidad para drenar fracciones líquidas de combustible.

9.    Capacidad para prevenir interferencias en el flujo entre los cilindros.

10. Capacidad para medir la presión de carga a los cilindros.

4.2 Métodos de Recarga de un Motor CI

4.2.1 Método de recarga con inducción inercial de flujo

            Cuando el aire se dirige hacia el interior del cilindro, adquiere un momentum durante el periodo de admisión mismo que es aprovechado por el motor para inducir con mayor facilidad la carga de aire y combustible. El desplazamiento del pistón hacia el PMI genera una depresión casi instantánea dentro del cilindro provocando que la columna de aire, contenida en el ducto de admisión, se dirija hacia la válvula de admisión. Por otra parte, al ser relativamente mayor el diámetro del cilindro que el diámetro del puerto por donde pasa la carga al ingresar al cilindro y la aceleración con la que el pistón de dirige del PMS al PMI, éste genera que la carga se acelere y se comporte como un flujo de alta velocidad. Posteriormente al finalizar la etapa de admisión, la energía cinética generada por el movimiento del flujo de trabajo se convierte en energía de presión al cerrarse la válvula de admisión provocando así un aumento de densidad y presión de la carga en el puerto de admisión. Dicha presión permite que el cilindro pueda seguir admitiendo carga aún cuando el pistón haya superado el PMI y se comience su recorrido de compresión, de la misma forma hace posible la admisión de carga durante la etapa final del recorrido de expulsión de gases de combustión, cuando se abre la válvula de admisión y se libera carga presurizada que se encuentra momentáneamente detrás de la válvula de admisión [3].

4.2.2 Método de recarga con ondas de inducción

            Cuando el motor se encuentra funcionando, el aire debe pasar a través del MA para introducirse en el cilindro cada vez que la válvula de admisión se abre. Cuando esto sucede,  la presión dentro del cilindro disminuye y produce una onda de presión negativa que se propaga, a la velocidad del sonido, a través del flujo de aire desde el puerto de entrada al cilindro hasta el punto del MA donde se encuentra libre a la atmósfera. Tan pronto la onda de presión llega al final del ducto de admisión, provoca una reducción repentina en la densidad del aire que rodea dicha área y se produce una depresión. Inmediatamente, el aire circundante tratará de reducir dicha depresión y por lo tanto se genera una onda de presión positiva debido a la inercia del flujo de aire, misma que viajará de regreso hacia el puerto de admisión hacia el cilindro. Si es correctamente sincronizada, la onda de presión positiva puede ayudar a introducir una cantidad mayor de carga en el cilindro hacia el final de la etapa de admisión. Cuando la onda de presión llega de nuevo a la válvula de admisión es reflejada y cambia de dirección hacia el punto de entrada de aire al sistema o MA. Por lo tanto, las ondas positivas y negativas de presión van y vienen continuamente desde la entrada de aire hacia el MA, y el puerto de entrada hacia el cilindro pero con una amplitud que va decayendo conforme se cierra la válvula de admisión [3].

            Para aprovechar al máximo este fenómeno el pulso de presión debe ser sincronizada de tal forma que la primera onda de presión positiva llegue cuando el pistón se encuentra en el PMI, hacia el final del periodo de admisión en su amplitud mayor. Por lo tanto, es importante saber el tiempo que toma una onda de presión en transmitirse a través de la columna de aire hasta el punto de apertura y reflejarse para retornar al puerto de admisión. Dicho tiempo puede ser calculado de la siguiente forma:

 (4.2.2.1)   

          Donde:

t = tiempo que tarda un pulso en recorrer de ida y regreso el canal de admisión (s).

L= distancia del conducto desde el punto de apertura a la cabeza de la válvula de admisión (mm).

C = velocidad del sonido en el aire (aprox. 330m/s)

            La rotación del cigüeñal durante el mismo lapso puede ser calculada de la siguiente forma:

 (4.2.2.2)

            Donde:

θt= desplazamiento angular del cigüeñal (grad)

N = velocidad angular del cigüeñal (rev/min)

       El fenómeno de inducción por inercia del fluido y el método de inducción por pulsos de presión siempre coexisten, pero cada uno tendrá predominancia sobre el otro dependiendo de la velocidad del motor, apertura de la mariposa del cuerpo de aceleración y las dimensiones de la garganta de admisión [3].

            Una analogía sobre cómo funciona el fenómeno de inducción de carga por medio de ondas de presión, puede ser mejor comprendida si imaginamos un resorte helicoidal al que se le ocasiona una perturbación en uno de sus extremos, entonces el espacio entre las helicoides cercanas al extremo perturbado se reduce momentáneamente y se transmite por todo el resorte hacia el extremo no perturbado como se muestra en la Fig.22. 

4.2.3 Resonador Helmholtz

            Ya sea que se aproveche el fenómeno de recarga por ondas de presión o por medio de la inercia del flujo, ambas aportarán una mejora en la eficiencia volumétrica dependiendo de la velocidad con la que gire el motor. Otra alternativa utilizada en motores tipo diesel y en motores a gasolina de alto desempeño es el sistema de inducción tipo Helmholtz. Este resonador consiste básicamente en un depósito tipo esférico y un ducto recto por donde se alimenta al depósito [3].

            La frecuencia de resonancia del ducto y del depósito está dado por:

   (4.2.3.1)

           Donde:

                        n = frecuencia de resonancia (Hz)

                        c = velocidad del sonido en el aire (ms-1)

                        A = área de la sección transversal del ducto (m2)

                        L = longitud del ducto (m)

                        V = volumen de resonancia (m3)

            El principio de funcionamiento del resonador Helmholtz es el siguiente: el aire que llena el volumen de un depósito dado, al ser sacudido por una vibración, éste tenderá a oscilar de acuerdo a su frecuencia natural. Si el depósito es conectado casi directamente al puerto donde se encuentra la válvula de admisión cada vez que se abra la válvula se creará un pulso de presión negativo mismo que provocará una perturbación en el aire contenido en el depósito. Consecuentemente, si la velocidad del motor se incrementa hasta el punto en donde la frecuencia del pulso de presión corresponde a la frecuencia natural del aire contenido en el depósito, entonces el aire dentro del sistema será excitado al punto de resonancia en el cual la amplitud de la onda de presión que se mueve a través del flujo de aire entrante, producirá una serie de pulsos u ondas de presión sincronizadas con el periodo de apertura de las válvulas, creando un fenómeno que “bombardeará” con ondas de presión positiva al cilindro durante la etapa final de admisión, forzando que entre una mayor cantidad de aire aún cuando el pistón regresa hacia el PMS [3].

            El volumen óptimo para el cual se diseña un resonador Helmholtz es aquel en el cual el volumen del aire se encuentra en resonancia con la velocidad del motor cuando se requiere un aumento de torque, generalmente en el punto máximo de la curva de torque del motor. Por otra parte también se debe experimentar con la longitud del ducto para obtener resultados óptimos ya que los pulsos de presión pueden interferir con el fenómeno de recarga inercial y ondas de presión, comprometiendo de esta forma el llenado del cilindro.

            Cuando el resonador se diseña para elevar la eficiencia volumétrica del motor a bajas velocidades se puede aportar un beneficio en el torque del motor, lo cual es deseable en motores diesel. A altas velocidades, el mismo resonador proveerá un desempeño menor que el que se obtiene con un sistema de admisión convencional tal como se muestra en la Fig.24.

4.3 Patrones de Flujo

            El flujo de fluidos se clasifica como externo e interno, ya que depende si el fluido se fuerza a fluir sobre una superficie o dentro de un conducto. El flujo interno se considera donde el conducto está solamente lleno con el fluido y el flujo se impulsa principalmente mediante la diferencia de presión.

Debido a la condición de no-deslizamiento, las partículas del fluido en la capa en contacto con la superficie de la tubería se detienen por completo. Esta capa también provoca que las partículas del fluido en las capas adyacentes frenen gradualmente como resultado de la fricción. Para configurarse esta reducción de velocidad, la velocidad del fluido en la sección media de la tubería tiene que aumentar para mantener constante la razón de fluido de masa a través de la tubería. Como resultado, a lo largo de la tubería se crea un gradiente de velocidad.

4.3.1 La región de entrada

            La región del flujo en la que se hacen presentes los efectos de los esfuerzos cortantes provocados por la velocidad de fluido se llama capa límite de velocidad [11]. La hipotética superficie de la capa límite divide el flujo confinado dentro de una tubería en dos regiones: La región de la capa límite, en la que los efectos viscosos y los cambios de velocidad son considerables; y la región de flujo (central) irrotacional, en la que los efectos de fricción son despreciables y la velocidad permanece esencialmente constante en la dirección radial [11]. De aquí la importancia en el diseño y selección de materiales para la construcción del MA, puesto que un coeficiente de fricción bajo ayuda a que los esfuerzos viscosos provocados por el flujo de aire sean lo menor posible.

            El grosor de la capa límite aumenta en la dirección del flujo hasta que la capa límite alcanza el centro de la tubería y por lo tanto llena toda la tubería, como se muestra en la Fig.25. El perfil de velocidad en la región totalmente desarrollada es parabólico en el flujo laminar y un poco más plano en el flujo turbulento debido al movimiento de vórtices y a una mezcla más vigorosa en la dirección radial [11].

4.3.1.1 Número de Reynolds

            La transición de flujo laminar a turbulento depende de la geometría, la rugosidad de la superficie, la velocidad del flujo, la temperatura de la superficie y el tipo de fluido, entre otros factores. Después de experimentos exhaustivos en los años 1880, Osborne Reynolds descubrió que el régimen de flujo depende principalmente de la razón de fuerzas inerciales a fuerzas viscosas en el fluido. Esta razón se llama número de Reynolds y se expresa para flujo interno en una tubería circular como:

           Donde:

                        Vprom= velocidad promedio del flujo (m/s)

                        D= diámetro o longitud característica (m)

                        ν= μ/ρ = viscosidad cinemática del fluido (m2s-1)

            A números grandes de Reynolds, las fuerzas inerciales, que son proporcionales a la densidad del fluido y al cuadrado de la velocidad del fluido, son grandes en relación con las fuerzas viscosas y por lo tanto las fuerzas viscosas no pueden evitar las aleatorias y rápidas fluctuaciones del fluido. Sin embargo, a números de Reynolds pequeños o moderados, las fuerzas viscosas son lo suficientemente grandes como para suprimir dichas fluctuaciones y mantener al fluido “en línea”. Por lo tanto el flujo es turbulento en el primer caso y laminar en el segundo. En la mayoría de las condiciones prácticas, el flujo en una tubería circular es laminar para Re < 2300, turbulento para Re > 4000, y transicional entre ellos [11]. 

4.3.2 Funcionamiento de un difusor

            Un difusor es un ensanchamiento  o aumento de área cuya finalidad es reducir la velocidad para recuperar la pérdida de presión del flujo [15]. El parámetro básico de un difusor es el coeficiente de recuperación Cp, definido como: 

    Donde p0 es la presión de remanso, o de estancamiento, que alcanzaría un fluido si se decelerase sin pérdidas hasta V=0 [15]. Los subíndices s y g significan salida y garganta (o entrada), respectivamente. Valores altos de Cp indican mejor rendimiento [15].

El análisis dimensional de un difusor cónico o de paredes planas muestra que  Cp depende de los siguientes parámetros [15]:

            1. Dos cuales quiera de los siguientes parámetros geométricos:

                        a. Relación de áres A2/A1 o (Ds/D)2

                        b. Ángulo de divergencia 2θ.

                        c. Esbeltez L/W1 o L/D

            2. Número de Reynolds en la entrada Reg.

            3. Número de Match en la entrada Mag.

            4. Coeficiente de bloqueo de la capa límite en la entraba Bg = ACL/A1, donde ACL es el área bloqueada por el flujo lento de la capa límite en la entrada (valores típicos de Bg oscilan de 0.03 a 0.12).

4.4 Flujo compresible

             En todos los casos de análisis de fluidos se deben satisfacer las tres leyes de conservación de la mecánica más una relación de estado (termodinámica) así como las condiciones iniciales y de contorno apropiadas:

1.    Conservación de la masa (continuidad).

2.    Conservación de la cantidad de movimiento (segunda ley de Newton).

3.    Conservación de la energía (primer principio de la termodinámica).

4.    Una relación de estado como ρ=ρ(p,T)

5.    Condiciones de contorno sobre superficies sólidas, entrefases, entradas y salidas.

    En los análisis integral y diferencial, estas cinco leyes están expresadas en términos matemáticos y han de ser resueltas usando métodos numéricos. En un estudio experimental se supone que el fluido cumple estas relaciones de por sí [15].

    Cuando un fluido se mueve a velocidades comparables a su velocidad del sonido, las variaciones de densidad se hacen importantes y el flujo se denomina compresible [15]. Probablemente los dos efectos más importantes y distintivos de los flujos compresibles son (1) el bloqueo, que limita fuertemente el flujo en conductos cuando se dan condiciones sónicas, y (2)  las ondas de choque, que son cambios casi discontinuos en las propiedades de los flujos supersónicos [15].

Para condiciones de flujo dadas, el gasto másico máximo que puede atravesar un conducto se da cuando en la garganta hay condiciones críticas o sónicas [15].

4.4.1 Número de Match

             El número de Match es el parámetro dominante en el análisis de flujos compresibles, con efectos distintos dependiendo de su magnitud. Los estudiosos de la aerodinámica suelen distinguir entre los diferentes rangos del número de Match, siendo la siguiente clasificación aproximada de uso extendido [15]:

Tabla 1: Clasificación de Número de Mach

    Estas cinco categorías de flujo son apropiadas para la aerodinámica externa a alta velocidad. Para flujos internos, la cuestión más importante es simplemente si el flujo es subsónico (Ma < 1) o supersónico (Ma > 1), porque el efecto de las variaciones de sección es opuesto [15], como se puede observar  en la Fig. 28.

    La garganta o sección convergente-divergente puede acelerar suavemente un flujo subsónico hasta hacerlo supersónico como un la Fig. 29(a) [15]. En la sección de vientre, Fig. 29(b), el número de Mach se aleja de la condición sónica en lugar de acercarse a ella.

4.4.2 Onda de choque

            La onda de choque normal es una onda de presión intensa que decelera bruscamente el flujo de condiciones supersónicas a condiciones subsónicas [15]. Por otra parte, la garganta sónica o crítica aumenta al atravesar la onda de choque [15]. El flujo a través de la onda de choque es adiabático pero no isentrópico. Otros principios básicos que gobiernan el comportamiento de las ondas de choque pueden ser resumidos así:

1.    El flujo es supersónico aguas arriba y subsónico aguas abajo.

2.    En gases perfectos las ondas de rarefacción son imposibles, y únicamente puede haber ondas de compresión.

3.    La entropía aumenta a través de una onda de choque con la consecuente caída de la presión y densidad de remanso y aumento del área crítica.

4.    Las ondas de choque débiles son prácticamente isentrópicas.

4.4.3 Flujo en una tobera convergente - divergente

    Cuando un flujo circula a través de una tobera se pueden presentar varios fenómenos dependiendo de la relación de presión a la salida y entrada. Si la presión pa, equivalente a la presión del plenum, es suficientemente baja, habrá flujo supersónico en la parte divergente y pueden presentarse situaciones con onda de choque como se indica en la Fig. 31 [15].

            En los casos A y B la presión ambiente no es lo suficientemente baja como para provocar flujo sónico en la garganta, y el flujo es subsónico en toda la tobera [15]. En el caso C la relación de áreas As/Ag es igual a la crítica As/A* para el Mas subsónico. La garganta se hace sónica y el gasto másico alcanza un máximo como se ve en la Fig.31(c). El resto de la tobera se subsónica, incluyendo el chorro de salida, y ps = pa.

              En el caso de la curva H pa es tal que pa/p0 corresponde exactamente con la relación de áreas crítica As/A* para un Mach supersónico. El flujo divergente es enteramente supersónico, incluyendo el chorro de salida y, ps=pa. Esta situación se llama tobera adaptada y corresponde a la presión de diseño de un túnel de viento supersónico o un motor de cohete [15].

              En los casos D a F de la Fig. 31(b), la garganta sigue estando bloqueada en los valores sónicos y se puede suponer que ps=pa, situando una onda de choque normal en el lugar adecuado de la sección divergente, dando lugar a un difusor subsónico que lleve la presión al valor correcto [15]. El gasto másico sigue siendo máximo, según la Fig. 31(c). En el caso F la onda de choque normal está exactamente en la sección de salida. En la configuración G ninguna onda de choque normal es capaz de producir la expansión necesaria, y por ello el flujo se comprime en el exterior mediante una serie compleja de ondas de choque oblicuas hasta que se alcanza pa [15].

              Finalmente en la configuración I, pa es menor que la presión de diseño, curva H, pero la tobera está bloqueada y no responde. El chorro de salida se expande en una serie compleja de ondas supersónicas hasta que se alcanza la baja presión ambiente [15].

4.5 Combustión

            La combustión es una reacción química en la cual una sustancia reacciona aceleradamente en la presencia de oxígeno para producir calor y luz. Para que la combustión sea considerada un proceso completo, se asume que la reacción entre los átomos de carbono e hidrógeno que contiene la gasolina, y el oxígeno del aire producen dióxido de carbono (CO­2) y vapor de agua (H2O), respectivamente [3]. El proceso de oxidación se puede representar con las dos siguientes ecuaciones:

(4.5.1)

 (4.5.2)

            La ecuación (4.5.1) implica que una molécula de carbono se combina con una mezcla con una molécula de oxígeno para producir una molécula de dióxido de carbono. Expresando las ecuaciones (4.5.1) y (4.5.2) con sus respectivas masas atómicas se puede expresar de la siguiente forma:

 (4.5.3)

 (4.5.4)

4.5.1 Aire teórico

            El aire atmosférico está compuesto aproximadamente de 23% de oxígeno y 77% de nitrógeno, ignorando una pequeña porción de otros elementos. Por lo tanto el aire requerido para lograr una combustión completa de 1 kg de combustible puede se expresada como una proporción de aire-combustible:

 (4.5.1.1)

            Por ejemplo, el aire teórico para un combustible cuya concentración de átomos de carbono es de 86%, hidrógeno igual a 14% y las partículas de oxígeno y sulfuro son despreciables, la proporción aire-combustible es igual a 14.84:1, es decir, por 1kg de combustible se requieren 14.84kg de aire para realizar una combustión estequiométrica completa.

4.5.2 Control de mezcla aire-combustible

            Si la mezcla de aire-combustible que entra a los cilindros es distinta a la proporción estequiométrica, entonces nos encontramos en una situación en donde existe una deficiencia o exceso de aire en el proceso de admisión. Dicha característica de deficiencia o exceso se expresa como un factor lambda (λ) y se define de la siguiente forma:

Si la mezcla estequiométrica no tiene deficiencia o exceso, entonces λ=1.0. Para una mezcla enriquecida con 5% de deficiencia de aire, entonces λ=0.95. Para una mezcla con 5% de exceso de aire se obtiene una λ=1.05.

            El factor λ puede favorecer a la creación de compuestos que se forman posteriormente a la combustión. Como se muestra en la figura 13.43, el exceso de aire o si el factor  λ es mayor a 1.0 promueve la creación de gases NOx y O2. Por otro lado, si λ es menor que 1.0, los gases tóxicos como el monóxido de carbono puede estar presente en altas concentraciones, producto del proceso de combustión.