FLUJOMETRIA

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Conceptos de flujometría El flujómetro sirve para medir la resistencia a la circulación del aire, que existe en los conductos de la tapa de cilindros, del múltiple de admisión, del múltiple de escape, carburador , etc. Para probar admisión, el aire es succionado a través del conducto de la tapa de cilindros hacia el interior del flujómetro,  pasa a través del orificio de medición, luego por los sopladores que lo mueven y es expulsado por la parte trasera. Para las pruebas de escape, el aire sigue el camino inverso y esto se logra con el accionamiento de una serie de válvulas que se encuentran en el  panel de control. La presión de prueba se mide con un manómetro de columna de líquido que tiene una rama conectada a la presión atmosférica y la otra a la base del cilindro adaptador. La presión de prueba se ajusta a valores estándar, por ejemplo 25 o 30 pulgadas de agua, mediante el giro de una manivela de control de flujo. Hay una válvula para el control de admisión y otra para el control de escape. La cantidad de flujo, se lee en los manómetro de tubo inclinado, que mide porcentajes de flujo para seis rangos determinados que se pueden seleccionar. Por ejemplo en el Flujómetro Saenz S400 los rangos son 400, 300, 200, 100, 50, 25 todos pie cúbicos por minuto (CFM).

Que es una prueba de Flujo ?  Una prueba de flujo consiste en medir el caudal de aire, o flujo de aire, que pasa por dicho conducto, con una presión de prueba constante. El aire que puede ser soplado o succionado a través del conducto. Luego, una vez hecha la medición, se trabaja el conducto y se vuelve a medir con la misma  presión de prueba y si el valor del flujo medido es mayor que en el caso anterior, esto indica que el trabajo hecho fue positivo. También se pueden hacer cálculos para determinar la eficiencia de la válvula de una tapa de cilindros, la alzada, etc.

Ejecución de la prueba de flujo. Instalamos el cilindro adaptador y sobre éste la tapa a probar. Vamos a efectuar distintas pruebas a distintas alzadas de válvulas. Para comenzar, con la válvula cerrada medimos en el rango mas chico (25) y vemos el caudal de pérdida que tenemos. Para saber el caudal multiplicamos el valor del rango de medición con el porcentaje indicado en el manómetro inclinado. Esto nos da el caudal de pérdida. Un caudal de pérdida entre 1 y 10 cfm puede considerarse normal siempre que sea corregido. Vamos a suponer que tenemos un caudal de pérdida de 5 cfm. A todas las mediciones posteriores con distintos valores de alzada las vamos a restar por el valor de pérdida. El medidor de flujo está diseñado para seis rangos de medición de manera que el flujo puede ser medido muy exactamente. Para obtener la máxima precisión, use el rango que le dé lecturas entre el 50% y el 100% de la escala. Si sobrepasa los 100% seleccionamos el rango siguiente.

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Caudal de aire a través del motor. La potencia del motor es directamente proporcional a la cantidad del aire que entra al cilindro y es retenido hasta que ocurre la ignición. Reduciendo la resistencia del flujo de aire en el tramo de entrada y salida, el llenado del cilindro aumenta y la potencia se incrementa en forma directamente proporcional. La cantidad de potencia que se gana por la mejora del flujo de aire depende de la eficiencia volumétrica del motor. Un motor con 60% de eficiencia volumétrica puede ser mejorado en mayor medida que uno con 90% de eficiencia. La eficiencia volumétrica de un motor puede ser estimada de la siguiente manera:

Eficiencia Volumétrica = 5600 x

HP x 100% Rpm x CID

Donde CID es la cilindrada del motor en pulgadas cúbicas. Debe estar seguro de ingresar la potencia exacta. Si la eficiencia volumétrica de un motor no sobrealimentado excede del 130%, el número de HP o las RPM están probablemente mal determinadas. El flujo total de aire a través de un motor determina su máxima potencia. En la potencia pico, un motor de carrera usará 1.67 cfm para cada HP que desarrolla. Por ejemplo, un motor de 100HP usará 167 cfm. Esto se cumple para cualquier de carrera 4 tiempos. Para aumentar la potencia de un motor, tanto debe ser aumentada la capacidad de flujo de aire como la carga de combustible aire debe ser quemada más efectivamente. Los preparadores han tendido a concentrarse principalmente en el aumento en el flujo de aire. Para hacer circular mas aire a través de un motor, debe reducirse la resistencia al flujo en el carburador, el múltiple y la tapa de cilindros. A través del flujómetro se puede predecir la potencia que podría alcanzar el motor conociendo el caudal medido por el flujómetro, por supuesto esto es válido no perdiendo de vista el concepto de velocidad de gases dado en el curso.

La potencia por cilindro = C pwr x Caudal Cabe destacar que el C pwr   varía en función de la presión usada para la obtención del caudal. A continuación en la siguiente tabla se puede apreciar éste valor para las distintas presiones. Presión de prueba(pulg de H 2O) 3 5 10 15 20 20.4 25 28 30 35 40

C pwr 0.787 0.608 0.430 0.350 0.304 0.301 0.272 0.257 0.248 0.230 0.215

Por ejemplo si se mide el caudal a una presión de prueba en 10 pulgadas de agua y en la alzada máxima, la potencia del motor sería por cilindro la siguiente: Potencia por cilindro = 0.43 x (caudal a 10" de agua)

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Para alcanzar este nivel, por supuesto el motor debe tener la máxima compresión, el árbol de levas correcto, y un sistema de escape que se adapte correctamente. La prueba de caudal se debe hacer con el múltiple de admisión y el carburador. Tal cual como funcionará el motor. En resumen, debe ser un motor de carrera bien equilibrado.(La fórmula sirve para motores a nafta, de cuatro tiempos son sobrealimentar). También se puede determinar el régimen al cual el motor desarrollará la potencia máxima: RPM = 2000 x (caudal a 10" de agua) CID Donde CID es la cilindrada del motor en  pulgadas cúbicas por cilindro. Para motores de alta calidad que no llegan a ser motores de competición, la potencia máxima se obtendrá a un 10% más de régimen  por lo que se debe usar 2200 y no 2000 en la fórmula.

Área y forma del conducto de admisión ideal: Para una mayor cantidad de flujo, el sistema de admisión ideal tendría que tener un solo carburador por cilindro con su respectiva mariposa y un venturi igual a 0.85 veces el diámetro de la válvula de admisión. Debajo del venturi, el diámetro del carburador debe aumentarse gradualmente hasta la medida de la válvula de admisión en la entrada del múltiple y gradualmente disminuir a 0.85 veces el diámetro de la válvula de admisión en un punto a 1/2 pulgada bajo el asiento de la válvula. En la práctica es muy difícil llegar a este ideal, pero proporciona una pauta de lo que podría ser un conducto eficiente. Cuando se trabaja el conducto de una tapa de cilindros para obtener mayor flujo, hay que tener en cuenta lo siguiente: 1) Las perdidas de flujo aparecen en los cambios de dirección y disminución de velocidades (curvaturas de lumbreras y expansiones) 2) El área de los conductos debe ser entre 65% y 100% del área de las válvulas. 3) Remueva el material principalmente de la parte exterior de las curvaturas del conducto, no de la parte interior. Esto perfeccionará el flujo, incrementando el radio de curvatura. 4) El largo del conducto y su acabado superficial no son importantes para el flujo. 5) La mayor pérdida de flujo en el conducto de admisión se debe a la expansión del aire fuera de la válvula. Esto hace que el área a 1/2" debajo de la válvula y a 1/2" encima de la válvula, sea la parte más crítica de la lumbrera. 6) La forma del asiento de la válvula tiene un efecto sustancial sobre la pérdida de flujo. La siguiente tabla nos muestra aproximadamente dónde ocurren las pérdidas de flujo en la tapa de cilindros de un motor Chevy con un diámetro de válvula de admisión de 1.94". Note que la pérdida de flujo son insignificantes en la parte recta de la lumbrera donde es fácil pulir.

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Fuentes de pérdida de carga

% de pérdida

1.- Fricción en las paredes(superficie arenada) 2.- Contracción en el conducto 3.- Curvatura en la guía de válvulas 4.- Expansión detrás de la guía de válvulas 5.- Expansión 25º 6.- Expansión 30º 7.- Curvatura a la salida de válvula 8.- Expansión a la salida de la válvula

4% 2% 11% 4% 12% 19% 17% 31% . 100%

Las pérdidas por fricción en las  paredes deberían ser de 3% cuando la superficie está pulida. Tal como está fabricada esta tapa(cámara de combustión en cuña), el flujo está cerca del 83% de su potencial. Las mejores tapas son capaces de aumentar el flujo hasta el 95% de su potencial con la ayuda de un cuidadoso ensayo de flujo. Es muy difícil obtener mayores ventajas sin el devastado y relleno con soldadura. Fresando y ensanchando las primeras 1/2" en el conducto del Chevy, donde es fácil maquinar, tiene muy poco efecto.

Trabajos a efectuar en los conductos de admisión Uno de los factores mas importantes por medio de los caules se inicia la turbulencia en un motor es debido a la orientación de los conductos de admisión. Si de un motor lo que se  pretende es conseguir un aumento de régimen de giro y obtener la  potencia de golpe a altas revoluciones, entonces tenemos que ver si nos podemos acrecar al ducto ideal mostrado en la figura anterior. Si por el contrario lo que nos interesa es conseguir un aumento progresivo de la potencia a lo largo de la curva de potencia, deberemos mejorar los ductos de admisión para facilitar la orientación de entrada hasta la válvula de admisión. Tenemos que lograr una conicidad en el ducto de tal manera para acelerar la mezcla en el ducto de admisión. Este retoque ira acompañado de un perfecto pulido de las

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 paredes del conducto con el fin de que la mezcla no sufra ninguna alteración. Hay que tener cuidado con el rebaje de material, de estos conductos pues puede suceder que si se rebaja un conducto como el que vemos en la figura. Se produzca la presencia de algunas turbulencias indeceables y contraproducentes con respecto a la turbulencia horizontal o vertical de que disponga el motor. El rebaje mas adecuado es el que aparece en la siguiente figura,  para mantener y potenciar de este modo el efecto de turbulencia horizontal o vertical que el motor posea. Además de los retoques en el conducto de admisión tambien hay que tener en cuenta posibles modificaciones en la misma cámara de combustión por medio de las cuales podamos aumentar los efectos de la turbulencia. El rebaje mas adecuado es el que aparece en la siguiente figura,  para mantener y potenciar de este modo el efecto de turbulencia horizontal o vertical que el motor posea. Además de los retoques en el conducto de admisión tambien hay que tener en cuenta posibles modificaciones en la misma cámara de combustión por medio de las cuales podamos aumentar los efectos de la turbulencia.  NOTA: La explicación de los trabajos en conductos de admision y escape como asi tambien de radios de curvaturas, desprendimiento de la capa límite se dará en clase.

Asientos de Válvulas El asiento de válvulas tiene 3 propósitos: sellar la lumbrera, enfriar la válvula y guiar el aire a través de la válvula. El sellado y enfriamiento son promovidos por un asiento bastante ancho, entre 1.5 y 2.5 mm. El flujo máximo es alcanzado frecuentemente con un asiento mas angosto, generalmente alrededor de 0.75mm de ancho. En la siguiente figura se puede apreciar el ángulo de asiento en una válvula, dicho ángulo según se muestra es de 45º El lugar donde todo el bisel de la cabeza de la válvula se apoya contra el asiento puede estar labrado de formas diversas. Los motores estándar generalmente disponen de 1 solo ángulo. La inclinación del asiento a 45 grados tiene, en  principio, la ventaja de ofrecer un cierre de la válvula mucho más completo que cualquier tipo de ángulo  posible. La válvula al apoyarse sobre su asiento, tiene la tendencia de auto centrarse y además, el bisel tiene mayor espesor o zona de contacto, de modo que existe mayor refrigeración de la válvula y menor riesgo de deformación de la misma a elevadas temperaturas. De este modo, las válvulas pueden ser de menor calidad y aun así, su duración queda garantizada.

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Estas son sus ventajas, pero su principal inconveniente radica en que el paso y la inclinación dada a los gases no es más favorable, de modo que este paso de los gases queda frenado y el rendimiento de la cámara es menor. Otro procedimiento mucho mas favorable a este respecto es disponer el ángulo del bisel, con respecto al asiento, en un ángulo de 30 grados, de la forma que se puede ver en la siguiente figura. Ahora el paso del gas queda favorecido y el flujo circula con mucha mayor fluidez por esta importante zona de paso. Pero la inclinación de las válvulas a 30 grados tiene el inconveniente de no asegurar perfectamente la estanqueidad de la válvula cuando está cerrada y además, las cabezas de las válvulas así mecanizadas son mucho más delgadas y susceptibles de sufrir deterioro más rápido y mayores deformaciones. Como consecuencia de todo ello, debe buscarse combinación de ángulos que anule los inconvenientes de cada uno de los sistemas y mantengan en lo posible sus ventajas. Este objetivo da origen a la complicada variedad de ángulos que pueden observarse en los asientos de las válvulas y en los biseles de la cabeza de las mismas. En la figura se puede observar como en el asiento de la válvula de admisión el ángulo principal es de 30 grados (120 grados), precedido por un ángulo de 55 grados (70 grados) y frente a la cámara, con una salida de 10 grados (160 grados). Se puede ver, en este caso el asiento de 30 grados es la medida principal y los otros ángulos que se forman sirven para mejorar la salida de la mezcla y para mejorar el centrado de la válvula en el momento de su cierre. En la siguiente figura se puede ver el asiento de la válvula de escape en donde el ángulo principal es de 45 grados, con un amplio sector inicial de solo 60 grados y uno posterior de 10 grados (160 grados). En el caso de la válvula de escape existe una mayor preocupación por la refrigeración de la válvula y por el buen centrado de la misma. No se olvide que la válvula de escape de un motor comercial corriente debe soportar unas temperaturas muy considerables, de las cuales nos da una muestra la siguiente figura, en donde se evalúan las zonas de distribución de los diferentes valores de temperatura. De ahí que los fabricantes decidan  preferentemente por valores de inclinación de 30 grados para las válvulas de admisión y de 45 para las de escape. En un motor altamente preparado se busca disminuir lo máximo posible la pérdida de carga. Es esencial para un buen flujo de aire que el asiento esté formado por múltiple ángulos. Cuanto mayor sea la cantidad de ángulos que tenga un asiento mejor dado que se acerca a parecerse a un radio, el cual tiene la menor pérdida de carga. En tapas de cilindros de motores de competición donde el reglamento lo permita prácticamente no se nota la diferencia entre el conducto de admisión y la cámara de combustión dado que es como una trompeta la cual descarga en la cámara de combustión y el asiento se nota solo por el borde esmerilado que genera el asiento de válvulas. Obviamente que para generar esto se requieren máquinas y herramientas muy sofisticadas realizadas con radios perfectos para cada tapa de cilindros.

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Una solución alternativa para lograr algo no tan bueno pero si efectivo es realizar ls asientos de válvulas con herramientas de muchos ángulos. Hay que tener cuidado que por tener muchos ángulos el desahogo del conducto no sea muy chico el cual puede traer buen caudal de aire a baja alzada de válvula  pero no tan buen caudal cuando se usan alzadas grandes de levas. En la siguiente tabla se pueden apreciar las distintas plaquitas para hacer asientos de válvulas de tres ángulos que se pueden encontrar en el mercado. . También las hay de mas de tres ángulos las cuales son mucho mejores del punto de vista de la  perdida de carga.

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Medidas de válvulas

El flujo total a través del motor es determinado por los diámetro de válvula. Mientras válvulas mas  pequeñas y bien diseñadas llenarán en ocasiones más que las válvulas mas grandes, una buena válvula grande llenará más que una válvula mas chica. La medida de la válvula está limitada por el diámetro del cilindro del motor. Para las cámaras de combustión cuneiformes, el diámetro máximo de la válvula de admisión es de 0.52 veces el diámetro del cilindro. Las cámaras semiesféricas permiten válvulas de admisión de hasta 0.57 veces el diámetro del cilindro, debido al espacio extra disponible en la cámara de combustión. Las cámaras de 4 válvulas son las mejores, pero el motor debe funcionar a alta velocidad  para tomar ventaja del área de válvula extra. La tendencia actual en motores de carrera es de mantener el flujo en el sistema de escape a 80 o 90% del flujo del sistema de admisión. Esto debe ser mas que necesario. Las experiencias indican que generalmente no hay aumento de potencia mientras que el flujo de escape no sea mas grande que el 60% del flujo de admisión. Esto indicaría un diámetro de válvula de escape de 0.77 a 0.80 veces el tamaño de la válvula de admisión. Del punto de vista flujométrico las válvulas tienen que tener formas que aseguren una baja perdida de carga, para esto se estudia el flujo de aire que pasa a través de ellas, y se llegó a un perfil que generalmente dispone de una muy baja pérdida de flujo, el mismo se puede ver a continuación en el siguiente figura: El perfil de la izquierda representa una válvula de admisión y el de la derecha a la de escape. Si analizamos como debería ser una válvula de admisión observamos el anulo recto que debe tener ésta en al  borde inferior, esto genera una turbulencia que favorece al flujo de aire entrante, Todas las demás medidas están referidas al diámetro de la válvula, en porcentaje. Esta válvula de admisión se le dio un ángulo de 45º, cuya longitud es del 5% del diámetro de la válvula. Después del asiento de válvula, nótese un bisel de 30º con una longitud del 5% del diámetro. El hongo se le da valores distintos en función si uno desea una válvula liviana o no. Tenemos que considerar que una válvula liviana es mas frágil que una mas pesada y su durabilidad se halla comprometida.

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En la válvula de escape, (derecha del grafico) podemos observar un radio de curvatura en la zona mas  baja el cual su radio debe ser del 1 al 15% de su diámetro, esto favorece la salida del gas combustionado, después observamos el ángulo también de 45º de un espesor del 5% del diámetro de válvula, luego se tiene un bisel de 30º y 5% del diámetro de espesor para finalizar con un hongo de 3º aproximadamente.

Válvula de admisión

Válvula de escape

Distintas formas de la cabeza de las válvulas Las cabezas de las válvulas empleadas en los motores de combustión interna pueden adoptar, fundamentalmente, tres formas distintas diferentes, representadas en las siguientes figuras. La forma de la cabeza de estas válvulas guarda relación con la función que se les encomienda, de modo que puede ser útil un comentario sobre cada uno de estos tipos. Válvulas de cabeza plana: Estas válvulas son las que se emplean más comúnmente en los motores de serie, tanto para los conductos de admisión como los de escape, con la única diferencia de la calidad del material, que resulta, en cada caso, adecuado a las mayores temperaturas que se han de soportar según se hallen montadas en el escape o en la admisión.

Válvulas de cabeza cóncava: Por lo general estas válvulas se emplean  poco en los motores comerciales y su empleo queda reservado a los motores de competición. Se utilizan solamente en las válvulas de admisión y su principal característica consiste en resultar más livianas que las válvulas de cabeza plana, además de que este modelo facilita el cierre durante la compresión y el escape.

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Su costo es superior al de las válvulas de cabeza plana, no sólo por su mayor dificultad de mecanizado sino también por exigir materiales de más alta calidad, ya que la resistencia final de este diseño es relativamente menor. Válvulas de cabeza esférica: Estas válvulas son las más utilizadas en la función de válvulas de escape. La forma redondeada de la cabeza facilita la salida de los gases, a la vez que aumenta su resistencia mecánica, debido a que es mayor el espesor en el centro de la cabeza, lo que resulta más favorable para las válvulas que trabajan a muy altas temperaturas. El peso de estas válvulas es lógicamente mayor, por ello es un mal menor pues en los motores de competición las válvulas que aumentan de tamaño, como hemos visto, son principalmente las de admisión, mientras que las válvulas de escape siempre tienen menor diámetro. En este modelo de válvulas, la zona entre la cabeza y el vástago se diseña de modo que facilite el flujo de calor hacia éste, ya que la zona principal de refrigeración se encuentra en el contacto permanente del vástago con su guía.

Alzada de la válvula y flujo El flujo de aire a través del motor es directamente controlado por la alzada de la válvula. Cuanto mas abre la válvula, mayor es el flujo, por lo menos hasta un cierto punto. Para medir este concepto se realiza a través de un flujómetro en el cual se pueden observar una curva asintótica la cual es de gran utilidad pues sirve para evaluar datos como máxima alzada de leva a usar y área debajo de la curva, tanto como la comparación de la misma entre el conducto de admisión y escape. Estos conceptos se analizarán con todos los detalles en el curso. En el siguiente gráfico se  puede observar el caudal en función de la alzada de válvulas de un conducto de admisión y uno de escape. Para conocer cualitativamente la capacidad de un conducto y  poder compararlo si se usan válvulas de distinto diámetro es recomendable no realizar la medición en función de la alzada de válvulas sino usar una relación llamada: relación Alzada/diámetro, o relación L/D. En clase se demostrará que teóricamente la máxima relación alzada diámetro donde un motor gana caudal es 0.25. En la práctica se visualiza ese valor en conductos estándar y en conductos modificados el caudal sigue aumentando hasta una relación alzada-diámetro igual a 0.30 o 0.35.

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Vamos a suponer que en una determinada tapa de cilindros tenemos un valor máximo de flujo a una alzada igual a 10mm. Después de esta alzada el valor de flujo permanece constante. Nos podríamos  preguntar porque en algunos motores las levas diseñadas sobrepasan el valor de alzada de máximo flujo. Esto es para abrir la válvula mas rápidamente y por mas tiempo. El flujo extra se gana en los flancos de la leva y no en el pico. Desde el punto de vista del flujo, una cámara de combustión semiesférica tiene una evidente ventaja sobre una cámara en forma de cuña. Hasta que la válvula alcanza una alzada de 0.15d. hay poca diferencia, pero para alzadas mayores, la válvula en la cámara semiesférica está generalmente descubierta.

Guía de trabajos prácticos: Medición en tapa de cilindros Conceptos Básicos El flujómetro sirve para medir la resistencia a la circulación del aire, que existe en los conductos de la tapa de cilindros, del múltiple de admisión, del múltiple de escape, carburador , etc. Para probar admisión, el aire es succionado a través del conducto de la tapa de cilindros hacia el interior del flujómetro, pasa a través del orificio de medición, luego por los sopladores que lo mueven y es expulsado por la parte trasera. Para las pruebas de escape, el aire sigue el camino inverso y esto se logra con el accionamiento de una serie de válvulas que se encuentran en el panel de control. La presión de prueba se mide con un manómetro de columna de líquido que tiene una rama conectada a la presión atmosférica y la otra a la base del cilindro adaptador. La presión de prueba se ajusta a valores estándar, por ejemplo 25 o 30 pulgadas de agua, mediante el giro de una manivela de control de flujo. Hay una válvula para el control de admisión y otra para el control de escape. La cantidad de flujo, se lee en el manómetro de tubo inclinado, que mide porcentajes de flujo para seis rangos determinados que se pueden seleccionar. Por ejemplo en el Flujómetro Saenz S400 los rangos son 400, 300, 200, 100, 50, 25 todos pie cúbicos por minuto (CFM). Una prueba de flujo consiste en medir el caudal de aire, o flujo de aire, que pasa por dicho conducto, con una presión de prueba constante. El aire que puede ser soplado o succionado a través del conducto. Luego, una vez hecha la medición, se trabaja el conducto y se vuelve a medir con la misma presión de prueba y si el valor del flujo medido es mayor que en el caso anterior, esto indica que el trabajo hecho fue positivo. También se pueden hacer cálculos para determinar la eficiencia de la válvula de una tapa de cilindros, la alzada, etc.

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Adaptación de la tapa de cilindros para la prueba de flujo. La tapa de cilindros se monta sobre el flujómetro Saenz S-400, por medio de un cilindro adaptador. Éste cilindro adaptador consiste en un tubo de 4pulgadas de alto con el mismo diámetro interno que el del cilindro del motor donde se va a instalar la tapa de cilindros, y una brida soldada en cada extremo. La brida inferior se debe fijar a la superficie de prueba del flujómetro con cuatro tornillos de !  de pulgada, asegurándose que no haya pasaje de aire entre las dos superficies, la brida superior se toma a la tapa de cilindros mediante tornillos o prensas, con la misma precaución de que no haya filtraciones de aire (para el buen sellado pueden usarse juntas o sellos del tipo O´RING). El tubo adaptador puede tener 1/16 pulgadas más o menos del diámetro del cilindro del motor. Es conveniente hacer la brida superior del cilindro de un ancho mayor para sustentar en forma correcta la tapa al quedar en voladizo cuando se prueben los cilindros extremos. Se debe usar un dispositivo que permita abrir las válvulas de la tapa de cilindros para las distintas posiciones de prueba. El método usual es colocar una ménsula en algún lugar de la tapa y mediante un tornillo que rosque en la ménsula, presionar en el vástago de la válvula, haciendo que ésta abra. Un comparador se coloca en contacto con la válvula, a los efectos de medir el desplazamiento que se va dando con el tornillo. Sobre la entrada de la tapa de cilindros debe colocarse una embocadura para evitar turbulencias que dificultan la medición en la entrada de la tapa, la embocadura será de un espesor generoso y radio amplio. Toda prueba de ser registrada en el formulario dado a continuación, registrando la descripción de la tapa de cilindros, la medida del diámetro de la válvula y del vástago de la misma, el área neta de pasaje será: Área de la válvula menos área del vástago. Luego de hacer esto se instala la placa de calibración sobre el flujómetro. Tirar de la traba del selector de rangos, se gira la manivela hasta seleccionar 300cfm. Seleccionar admisión con las perillas del frente empujando ambas y con la manivela del tablero. Cierre las perillas de admisión y escape, ponga a cero el medidor de presión de prueba, nivele y luego ajuste el cero del manómetro inclinado ajustando la posición de la regla.  Abra un poco la válvula de admisión y ponga en marcha el flujómetro, mediante el uso de la válvula de admisión ajuste en la columna de prueba 25 pulgadas de agua, el manómetro inclinado mostrara una lectura de 68% aproximadamente. En escape y mismas condiciones deberá indicar 68.5% en las mismas condiciones. Esta prueba se realiza para tener seguridad que el flujómetro funciona correctamente y que no hay fugas u obstrucciones en las mangueras e instrumentos de medición. Toda prueba se debe hacer con la misma relación alzada diámetro de la válvula. De esta manera la eficiencia del flujo para cada válvula puede ser comparada independientemente de la medida. Multiplique el diámetro de la válvula por cada una de las seis relaciones L/D para obtener los puntos de prueba de alzada de válvula. Esto debe ser registrado en la hoja correspondiente. Esto completa toda la preparación preliminar. Esto asegura resultados confiables, y no será necesario para la misma tapa de cilindros. Ejecución de la prueba de caudal.

Quite la placa de calibración del flujómetro e instale la tapa a probar, con el cilindro adaptador y un sistema que oprime la válvula. Con la válvula cerrada coloque el comparador y el dial a cero, instale el múltiple de admisión o la trompeta de entrada sobre la entrada al conducto de la tapa de cilindros. Ponga a cero los manómetros, selecciones admisión en todas las perillas, 0 100 en la manivela del frente.

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IMPORTANTE: seleccione 25cfm, mantenga las válvulas de admisión y escape de la tapa de cilindros cerrada. Hecho esto encienda el flujómetro, y con la válvula de admisión lleve a 25” de agua la presión de prueba (si no hay pérdidas rápidamente se irá a la parte superior del tubo). Supongamos que con 25” de agua se miden 27% en la escala del manómetro inclinado, esto indicará para el rango de 25cfm, un caudal de 0.27x25=6.7cfm. Una pérdida normal será un valor entre 1 y 10cfm. Esta pérdida no afectará a los resultados siempre que sea corregida. Apague el flujómetro e invierta los controles, repita la prueba para escape, registre las pérdidas en la hoja de datos y sustraerlos de los resultados obtenidos. El medidor de flujo está diseñado para seis rangos de medición de manera que el flujo puede ser medido muy exactamente. Para obtener máxima precisión, use el rango que e lecturas entre el 50% y el 100% de la escala. Si sobrepasa el 100% seleccione el rango siguiente. Cuando mida caudales inferiores al 150 cfm coloque la manivela inversora de flujo, como se indica en el ítem  precauciones. Para probar escape invierta los controles, girando las perillas a la posición “E” y la manivela inversora de flujo a la posición “ESCAPE” ubicada a la izquierda del flujómetro y opere con la válvula de escape y registrando los valores leídos en la hoja de datos. Para probar el múltiple de admisión retire la boquilla del frente de la tapa de cilindros y coloque el múltiple de admisión, repita todos los ensayos anteriores y podrá comparar los efectos que el múltiple de admisión provoca.

Errores de la prueba Bastantes errores rodean a cada prueba de flujo y de esta manera es importante que estos errores no se deslicen dentro del programa de prueba. Siempre controle los siguientes puntos para reducir la posibilidad de errores: 1. Siempre use el mismo rango de orificios para el mismo punto de prueba. 2. Conserve las pérdidas de flujo en un mínimo haciendo un buen sellado en todas las superficies, incluidas las válvulas en la cabeza. 3. Si se usa resortes de válvula livianos, asegúrese que las válvulas no se succionen y abran por el vacío de la prueba de pérdidas por admisión. 4. Siempre iguale a cero para las mediciones de cada prueba. 5. Siempre use una guía para entrada de flujo sobre el lugar de entrada de la tapa y siempre use la misma guía y el mismo cilindro adaptador. 6. Tratar de ejecutar la prueba cuando no haya cambios en la tensión de la línea. Los cambios de tensión no afectan la exactitud, pero podrían causar oleaje y hacer inestable el flujo. 7. Siempre que sea posible, ejecutar toda la prueba con el mismo equipo, usando el mismo conducto y la misma temperatura. 8. Cuando haya duda repetir la prueba, si no consigue los mismos datos, comenzar nuevamente. Precauciones:

 Al poner en marcha el flujómetro, abrir un poco la válvula de admisión, si se prueba admisión, (la de escape si se prueba escape) para que las turbinas no arranquen sin circulación de aire.

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La refrigeración de los motores que provocan la circulación de aire se realiza mediante el mismo aire que circula, por lo tanto es muy importante no hacer funcionar el flujómetro sin caudal de aire. Cuando se prueban caudales inferiores a los 150 cfm, se debe operar de la siguiente manera: la llave inversora de flujo que se encuentra en el centro del panel vertical: para admisión, llevar esa manija hasta que haga tope en la posición de admisión, luego volverla hasta un ángulo que sea la mitad de la posición de tope con la posición horizontal. Hacer las pruebas en esas condiciones, si no se lograra el vacío suficiente para la prueba, llevar un poco la manivela hacia la posición de admisión tratando que sea lo menos posible, que permita la adecuada presión de trabajo. De esta manera estamos abriendo un cortocircuito de aire que ingresa y sale del compartimiento de motores sin afectar de ninguna manera la medida, haciendo una circulación de aire adicional por los motores para su correcta refrigeración. Para pruebas de escape de menos de 150cfm, proceder de igual manera pero llevando la manivela del lado de escape.

Sistema de adquisición de datos FLOW PRO El sistema consta de un hardware y un software. El Hardware consta de una interfaz la cual va conectada al flujómetro la cual puede tomar datos de depresión, flujo, temperatura, etc. Que se puede observar a continuación: Mediante esta interfaz, el software puede incorporar directamente los datos de presión, temperatura, y caudal para cada medida, como se ve a continuación:  Además de lo mencionado el software puede medir remolinos “Swirl”, hacer correcciones por condiciones atmosféricas, etc. También está la opción de poder entrar los datos vía teclado, el cual se realiza leyendo los datos de las columnas correspondientes en el flujómetro. Con todo esto se construyen gráficos en los cuales se pueden observar los flujos vs. Alzada de válvula o flujos vs. Relación L/D. El cual se puede ver a continuación:

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Por medio del programa se puede comparar distintos conductos y observar los distintos resultados de cada medición. Planilla de Flujometría para tapas de cili ndros

Descripción de Prueba: ........................................................................... ......................................................................................................................................................... ................................................................................. Fecha de la prueba: ..../..../.... Temperatura: .......... Humedad: ............ Diámetro válvula de admisión: .......... mm. Diámetro válvula de escape: .......... mm. Relación alzada/diámetro  Alzada válvula de admisión  Alzada válvula de escape

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

Presión de prueba: ......... Nº de Conducto prueb a  A E

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

 Alzada [mm]

Rango nominal

Corregido

% caudal

Caudal [CFM]

Caudal pérdida

de Caudal [CFM]

neto

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Planilla de Flujometría para tapas de cili ndros

Descripción de Prueba: ........................................................................... ......................................................................................................................................................... ................................................................................. Fecha de la prueba: ..../..../.... Temperatura: .......... Humedad: ............ Diámetro válvula de admisión: .......... mm. Diámetro válvula de escape: .......... mm. Relación alzada/diámetro  Alzada válvula de admisión  Alzada válvula de escape

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

Presión de prueba: ......... Nº de Conducto prueb a  A E

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

 Alzada [mm]

Rango nominal

Corregido

% caudal

Caudal [CFM]

Caudal pérdida

de Caudal [CFM]

neto

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Concepto de velocidades de aire en los conductos de admisión y escape

En un motor las velocidades en los conductos de admisión y escape no son valores constantes, van cambiando en función del giro del cigüeñal y como consecuencia del efecto oscilatorio de la onda de  presión respecto a las rpm del motor. En el siguiente grafico se puede apreciar las velocidades instantáneas en el conducto de admisión la de color claro (verde) y la de escape, la de color oscuro (rojo).

Las líneas verticales representan los eventos de apertura y cierre de válvulas como las del PMS y PMI. En el curso se darán las indicaciones para poder obtener velocidades positivas y no tener el efecto de reversión en el cual se dan en conductos muy grandes o con eventos de apertura y cierre de válvulas inadecuados. El concepto de velocidad tiene que estar presente siempre y el dimensionamiento de los conductos se debe realizar teniendo en cuenta esto. Un conducto muy grande carece de velocidades importantes lo que da como consecuencia una menor eficiencia volumétrica por tener una reversión muy acusada. El caudal es grande pero no sirve en un motor. El flujómetro nos daría un caudal importante pero cabe destacar que el flujómetro mide caudal a velocidades constantes cosa que no ocurre en un motor. Un conducto excesivamente chico daría grandes velocidades lo cual favorece a las velocidades de gases  pero al aumentar mucho las velocidades aumenta la perdida de carga dando como consecuencia una merma en el caudal de aspiración, limitando la eficiencia volumétrica en el conducto. En el siguiente grafico se puede apreciar la velocidad muy alta en el conducto de admisión por un área muy pequeña en el conducto de admisión.

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En el siguiente grafico se ve la baja velocidad dada por un conducto muy grande de admisión.

Esto tiene como consecuencia un bajo llenado por carencia de la velocidad, esto limitaría el uso de un retraso del cierre de la admisión por la generación muy acusada de la reversión en el conducto. Nota: estos ejemplos se ampliarán en el curso vinculando también el conducto de escape y la interacción de ellos Dimensionamiento del conducto de admisión y escape:

En el curso se dará este importante concepto con el dimensionamiento adecuado para cada conducto teniendo en cuenta las velocidades medias en el conducto de admisión y escape. Tanto sea para distintas formas de conductos como así con tapas de 2 válvulas y multiválvulas.

Efectos del flujo dinámico La eficiencia volumétrica y la potencia del motor pueden ser aumentadas considerablemente sacando ventaja de los efectos dinámicos naturales, los cuales ocurren durante el proceso de admisión. La energía cinética y las pulsaciones resonantes pueden ser aunadas para llevar la eficiencia volumétrica por encima del 130%. Sin estos efectos dinámicos la eficiencia está limitada al 100%, sin turbos. Cuando la válvula de admisión se cierra, los rebotes de los pulsos de presión abandonan el conducto de admisión y luego van otra vez hacia la válvula. Realizando la correcta longitud del conducto de admisión, el pulso de retorno puede ser regulado para que llegue a la válvula en el instante en que comienza el nuevo ciclo de admisión, empujando una carga extra de aire y manteniendo los gases de escape fuera del conducto de admisión. Para visualizar lo que ocurre, imagine que la punta de una barra de acero es ubicada contra una superficie dura. Si la otra punta es golpeada con un martillo, un pulso fuerte viajará a través de la barra a la otra punta y luego retornará hacia el extremo del martillo. El pulso hará que la barra salta hacia el martillo mientras la barra(o el aire en la lumbrera) se mueve muy poco, un pulso fuerte ha sido transmitido a través de ella. Para usar este pulso, el conducto de admisión debe tener la correcta longitud. El pulso nos ayudará en un rango angosto de rpm. Arriba o debajo de un cierto rango, el pulso disminuirá su fuerza, por lo que la sincronización adecuada es esencial. De los 4 armónicos que llegan a la válvula, el 2º es el mejor; los otros son mas débiles y cortos.

Cuadro de pulsación de admisión Armónico 2º 3º 4º

Fórmula de longitud 132000/rpm 97000/rpm 74000/rpm

RPM Inferior 89% 91% 93%

RPM Superior 108% 104% 104%

Potencia del Pulso +-10% +-7% +-4%

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 Nota: La potencia del pulso varía con el flujo de admisión y la abertura de la válvula. El cuadro de la figura anterior muestra los pulsos que pueden ser usados. Para obtener la longitud del sistema de admisión se divide el número indicado por las rpm para la potencia pico determinado por las mediciones del flujo. Por ejemplo: a 8000rpm para la 2º armónica: La longitud del sistema = 1320000/8000 = 16.5" Hay que tener en cuenta que las medidas están realizadas en pulgadas. Recordar que: 1 pulgada = 2,54 cm = 25,4 mm. Esta es la longitud deseada desde la válvula de admisión a la entrada de aire. Para el ejemplo anterior, el  pulso beneficiará desde un 89% a un 108% de 8000 rpm, o sea desde 7120 rpm hasta 8540 rpm. El  beneficio mayor se producirá alrededor de un 3% por debajo de las 8000 rpm. Debajo de los 7120 rpm o sobre 8640 rpm el pulso trabajará para disminuir la potencia del motor. Para obtener beneficios del pulso, es también necesario que la válvula de admisión se abra a un alza de por lo menos 0.02 veces del diámetro de la válvula 15º antes del PMS. Son usados preferentemente los avances de 20º a 40º.

Efectos de la sobrealimentación por inercia Cuando la válvula de admisión comienza a cerrarse, la columna de aire en movimiento rápido trata de introducirse en el cilindro por sí misma. Si la válvula se cierra justo en el instante correcto, la carga extra será atrapada en el cilindro. Se pueden obtener rendimientos volumétricos del 130%. Cuando se sintoniza un motor en una determinada gama de rpm, la eficiencia volumétrica del mismo es muy alta, esto se debe básicamente al aumento de llenado por el uso correcto del RCA y el largo de conducto optimo.

Cámaras de combustión En muchos motores sucede que el diseño de la cámara de combustión fue distado por la elección de la geometría de la válvula. Quizá debería ser de otra manera; muchas cámaras de combustión no se realizan también como se debiera. La mayoría de los motores de carrera usan una relación de compresión de entre 12 y 13.5 a 1. Si el cilindro es completamente llenado, se debe esperar que el torque por pulgadas cúbicas del motor, CID, del motor sea siempre el mismo, independientemente del diseño del motor. Esto no es así, y las diferencias son debidas a al a poca eficiencia de las cámaras de combustión. Una manera de evaluar la eficiencia de una cámara de combustión es medir el rendimiento del torque de salida por pulgadas cuadradas, CID, del motor. A las RPM a las que se encuentra el máximo torque, una buena cámara de combustión desarrollará 1.25 a 1.3 libras-pie por CID. Es posible aumentar a 1.5 lb-pie por CID aunque no sin un buen diseño de la cámara y una buena sintonía de múltiples. Una segunda pauta para evaluar es el avance de encendido necesario para un quemado eficiente de la mezcla. Las cámaras de combustión más eficientes tienen turbulencia mas altas y requieren menos avance de encendido. Una cámara de combustión turbulenta reduce sustancialmente el tiempo existente entre el salto de chispa y la combustión completa de la carga. Por ejemplo un motor Chevy con una forma de cámara de combustión normal requerirá 35º de avance máximo de chispa, mientras que una cámara de combustión altamente turbulenta sólo requerirá 27º de avance. La cámara mas turbulenta quemará mas rápidamente y producirá hasta un 10% más de potencia para la misma carga inicial. En general hay que hacer lo posible para tener alta turbulencia y minimizar la distancia entre la  bujía y la parte más alejada de la cámara de combustión.

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La turbulencia de la mezcla Una vez entrado el volumen de la mezcla en el interior del cilindro, tenemos que hacer que la combustión se produzca en la menor cantidad de tiempo posible. Con ello se facilita que el motor pueda alcanzar mayor número de RPM y por consiguiente, mayor extracción de energía de la mezcla en una misma unidad de tiempo. Para que la mezcla se queme de la forma más rápida  posible es necesario que esté dotada de un movimiento intenso de revolución sobre sí misma en el momento en que salte la chispa de encendido, pues ello hace que el frente de la llama avance de una manera fulminante. Todos los diseñadores de motores tienen en cuenta este efecto y, de hecho, el estudio a fondo de las cámaras de combustión para conseguir efectos de turbulencia ha sido uno de los factores que más ha contribuido, en aumentar considerablemente el rendimiento de los motores modernos con respecto a los antiguos, y fruto de stos estudios son las cámaras hemisféricas. En la formación de la turbulencia intervienen varios factores entre los que cabe destacar el conducto de admisión y la forma de la cámara o de la cabeza de  pistón. En el tiempo de admisión, mientras el pistón desciende, el  paso de la mezcla se produce como se ve en la siguiente figura: La velocidad de turbulencia con la que penetra la mezcla en el cilindro debe ser mantenida y acelerada por el pistón, durante su carrera de compresión, hacia el P.M.S. De esta forma, cuando salta la chispa, la velocidad residual de desplazamiento de la mezcla comprimida facilita la instantánea inflamación de toda la mezcla. Este tipo de turbulencia podría denominarse de “caída”, y como puede apreciarse en el dibujo, se mantiene en un sentido vertical, de arriba abajo del cilindro. La orientación de la mezcla en la parte alta del cilindro hace que esta turbulencia se mantenga especialmente en un plano horizontal, de modo que se transfiere así a traves de la succión dada por el pistón en el tiempo de admisión y sube en estos  planos horizontales hasta el momento de fin de compresión y de la combustión o salto de la chispa. Se trata, pues, de una turbulencia en forma de remolino y podemos considerarla tambien como una turbulencia horizontal. Ademas de estas diferentes turbulencias existen el sistema de la entrada directa de la mezcla, semejante al tipo de conducto que vimos anteriormente, en donde la turbulencia es mucho menor y está encomendada exclusivamente al resultado de la subida del pistón. Estos tres tipos de comportamiento de la turbulencia tienen una especial repercución en diferentes estados de funcionamiento del motor, y el preparador debe tener muy en cuenta sus posibilidades. Así, la turbulencia vertical y la horizontal tienen la ventaja de dar mayor torque de un motor. Por el contrario la entrada directa de la mezcla como se vió en la figura anterior, actúa directamente sobre el régimen máximo, de modo que es aconsejable valerse de este sistema cuando el motor deba tener una velocidad maxima mayor.

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Teniendo en cuenta estos criterios, vamos analizar los trabajos que podemos efectuar en la tapa de cilindros. El movimiento de la mezcla con eje de rotación vertical se le llama SWIRL. El movimiento de la mezcla con eje de rotación horizontal se llama TUMBLE, éste es usado en motores multivalvulares. La medición del estos efectos de rotación se pueden medir por medio del flujómetro con dispositivos especiales para ello. Lo que se busca básicamente con estos efectos es darle al motor mas TORQUE, lo que se logra con el menor avance de encendido necesario por el motor dado al incremento a la velocidad de propagación del frente de llama.

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Distintos tipos de cámaras de combustión

Cámara hemisférica: Con 2 o 4 válvulas en la tapa presenta la ventaja de ubicar la bujía en posición central y puede adaptarse para válvulas de diámetros mas grandes y obtener así elevadas potencias especificas con elevados regímenes de rotación. Cámara triangular: Tiene la ventaja de concentrar la mayor parte de la mezcla en las proximidades de la bujía de modo que el frente de llama a medida que avanza va encontrando masas de gas sin quemar. En los motores de alta relación de compresión tienen una relación superficievolumen mas favorable que la cámara hemisférica. Cámara trapezoidal lateral: Representa una típica aplicación de las teorías sobre laminación. Permite elevados valores de relación de compresión. La principal ventaja es que concentra la mayor parte de la mezcla en las proximidades de la bujía y permite colocar válvulas muy grandes con respecto al diámetro del cilindro y tiene la desventaja de tener menor relación superficie-volumen. Cámara bulbo: Es de simple construcción, las válvulas son generalmente 2, el encendido puede verificarse en posición bastante control y la refrigeración de la bujía resulta fácil. Cámara discoidal: Con 2 o 4 válvulas . Pero las válvulas resultan de diámetro menor en relación con las cámaras anteriores. Es difícil la ubicación de la bujía. Esta es una cámara típica de motores de aviación.

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Cámara de disposición mixta: En este tipo de cámaras la válvula de admisión está ubicada en la tapa mientras que la de escape está ubicada en posición lateral. Esta disposición permite adaptar válvulas de gran diámetro y obtener elevados rendimientos volumétricos. Cámara de elevada turbulencia con válvulas lateral:  (llamada tipo Ricardo) Son cámaras obsoletas pero tienen una gran turbulencia de la mezcla, tiene una buena refrigeración en la bujía.

Porcentaje de ganancia en flujo según los perfiles de trompetas elegidos:

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Variación de la eficiencia volumétrica en función de cambios en el diseño del plenum. En la siguiente figura se puede observar como es la variación de la eficiencia volumétrica cuando el motor tiene un sistema de admisión con plenum. Se pueden observar dos picos en la misma, esta es una característica de estos sistemas de admisión. Variando la longitud del tubo secundario se obtiene variaciones en la curva de la eficiencia volumétrica según como muestra el siguiente gráfico.  Aumentando la longitud del tubo secundario se observa que el primer pico de eficiencia volumétrica se produce a menores rpm . Por el contrario si se aumenta esta longitud el primer pico se producirá a rpm mayores. Con la variación de esta longitud no tiene efecto en el segundo pico en la eficiencia volumétrica. Si se aumenta el diámetro del tubo secundario se observa que el primer pico en la eficiencia volumétrica se

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corre hacia rpm mayores, por el contrario si se disminuye este diámetro el primer pico se corre a un número menor de rpm.  Al variar las longitudes de los tubos primarios se puede modificar la curva de eficiencia volumétrica, tal como se puede ver en la figura. Estas curvas corresponden a un sistema de admisión con plenum. Cuando el sistema de admisión elegido es el de admisiones individuales abiertas, la curva de eficiencia volumétrica es muy distinta en comparación con la admisión con plenum. Variando las longitudes de un sistema de admisión abiertas se obtiene modificaciones en la curva de eficiencia volumétrica según la figura. Disminuyendo las longitudes aumenta el pico de eficiencia volumétrica en altas rpm, mientras que el aumento de las longitudes da un pico de eficiencia volumétrica mayor a régimen de giro menores.