Resumen

La simulación del sistema de escape de un motor de combustión de cuatro tiempos encendido por chispa se puede realizar a partir de la teoría de flujo inestable de gases utilizando ondas de presión. El método aquí explicado se basa en la discretización de espacios interpolables denominados mallas, que se ubican a lo largo de toda la tubería sin importar la forma o el tamaño de ésta. Se hace entonces una exploración teórica por los aspectos más importantes, como son el movimiento y choque de las ondas de presión y su aplicación a casos encontrados en ductos de motores reales. Así mismo se plantea la forma en que debe realizarse la simulación utilizando como base la anterior exploración. Los resultados presentados en forma de ecuaciones para esta primera entrega, muestran la gran influencia que ejerce el movimiento de las ondas de presión dentro de un motor sobre el flujo a través del mismo y por ende sobre su desempeño final.

Introducción

El flujo de gas que atraviesa un motor se comporta de manera inestable. Se define como flujo inestable de gas cuando la presión, la temperatura y la velocidad de partícula cambian en el tiempo.

En el caso del flujo de gas en la admisión y escape de un motor, el comportamiento inestable se da por cambios en la presión debido a la rápida apertura y cierre de las válvulas del motor, esto hace que la presión en la tubería cambie con el tiempo, así el motor se encuentre en un régimen de carga y velocidad fijo.

Desde los trabajos originales de Wallace y Nassif, 1953, Rudinger, 1955, y Benson, 1964, se plantea un método para solucionar la dinámica del flujo inestable en motores de combustión interna. Debido a las condiciones de la época, las soluciones debían calcularse utilizando regla de cálculo u otros métodos similares, dando como resultado una baja precisión en los resultados como consecuencia además de un trabajo por demás dispendioso. La crisis del petróleo en los años 70 obligó a muchos fabricantes a pensar en mejores métodos para diseñar sus motores (Pulkrabek, 2004). La simultánea masificación de los computadores permitió incluir  como rutinas los métodos propuestos en los años 50 y 60 para simular el flujo en la admisión y escape de motores. Estas rutinas, sumadas a rutinas programadas para resolver el ciclo cerrado de los motores, dieron como resultado la posibilidad de realizar simulaciones unidimensionales para un motor completo (Novak y Blumberg, 1978). Los resultados fueron satisfactorios permitiendo entre otras cosas entender algunos fenómenos de flujo a través de válvulas y restricciones, y a la vez ahorrar enormes cantidades de dinero en la fase de diseño al poder probar los motores de forma virtual. Muchos de estos modelos originales no han sufrido variaciones hasta la fecha. Quizás los aportes más importantes en los últimos años consisten en: (a) la obtención experimental de coeficientes de descarga más precisos para elementos como válvulas y mariposas (Blair, McBurney et ál.,1998; Blair, Mackey et ál. 2001), (b) la mayor cantidad de variables que se pueden analizar con este tipo de modelos a medida que la capacidad computacional es mejor (Bayraktar,  2005;  Mantilla,  Galeano  y  Ochoa,  2007),  y  (c)  el  cambio  en  los  métodos  de  solución,  se  pasó  de  solucionar  las  ecuaciones  para  las  ondas  de  presión  utilizando  el  método  de  las  características (Benson, 1964 y 1982) a métodos de diferencias finitas (Blair,  1999;  Blair,  Mackey et ál. 2001; Alvarez, Callejón, 2005).

• Materias:Motores de combustión interna Gases de combustión
• Subjects:Internal combustion engines Flue gases
• Palabras claves:Ducto de escape; Flujo inestable de gas; Motor de combustión interna; Ondas de presión
• Keywords:Exhaust pipe; Internal combustion engine; Pressure wave; Unsteady gas flow