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Turbulencia y combustión en un motor de combustión interna2018-07-26T18:33:12+01:00

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«Los libros de mecánica son un coñazo… ¿Le habéis echado un ojo al Pairy o al Arias Paz? Sí, son realmente interesantes, pero infumables (y lo dice uno que se ha leído el Arias Paz en el Metro).

Por eso, hablemos de mecánica, analicemos cómo funcionan las cosas y aprendamos todos juntos un poco. Si lo que expongo en un artículo ayuda a alguien a aprender, es útil, y si sirve para que alguien me corrija y aprenda yo, eso que me llevo.»

Así se presenta el creador de Hablemos de coches, una nueva web con dos objetivos idénticos a los nuestros: Libertad y aprendizaje. Todo sobre el mundo del motor.

Porque cuando a un Petrolhead tarado mental, con muchos conocimientos (técnicos y no técnicos) del mundo del motor, se le da la oportunidad de compartir su sabiduría y, además, echarse unas risas, todos salimos ganando.

Hoy viene a explicarnos el papel de la turbulencia en la combustión de un motor de combustión interna. Y te va a molar.

¡Al lío!

Turbulencia y combustión en un motor de combustión interna

Pero… ¿Turbulencias en un motor? ¿Eso no es lo de los aviones? ¿Acaso han vuelto los coches con turbina de gas? ¿Los de PetrolheadGarage han vuelto a dejar que un borracho les escriba un artículo?

Pues sí, pero independientemente de lo que nos hemos bebido antes de pillar el ordenador, no vamos a hablar del Rover P6, ni del Jaguar C-X75 y sus motores de turbina de gas (sí, sí, el ciclo Brayton, el mismo de los turborreactores).

Jaguar C-X75 motor de turbina - Turbulencia y Combustión PetrolheadGarage

Hoy vamos a hablar de un concepto que influye en la eficiencia de la combustión, y por tanto en las emisiones y el consumo. De acuerdo, aquí no son factores determinantes para que un coche mole; no obstante: Si la combustión no es óptima, y una parte del combustible no se quema y sale tal cual por el escape… ¿Para qué cojones hemos llevado ese peso en el coche? Y lo que es más, ¿para qué cojones hemos pagado por él? Creo que todos estamos de acuerdo en que si echamos un litro de gasolina al coche, queremos que ese litro se utilice íntegramente para darle par a las ruedas y que giren hasta que nuestra máquina sea capaz de hacer un agujero en el tiempo.

Jeep haciendo un willie - Turbulencia y Combustión PetrolheadGarage

Pero antes de ver qué es la turbulencia… ¿Qué es la combustión?

Bien, dejemos de divagar y vayamos un poco más allá de la pregunta obvia, con una un poco más básica: ¿Qué es la combustión?

La respuesta obvia es “cuando mezclamos gasolina y aire, le metemos una chispa y eso pega un explotío del copón”. La respuesta un poco más técnica es que la combustión es una reacción química, concretamente de oxidación de un hidrocarburo, o lo que es lo mismo, tenemos unos reactivos, que son oxígeno (el 21% del aire que respiras, más o menos), y cadenas largas de hidrógeno, carbono y oxígeno que forman la gasolina o el gasoil (me voy a olvidar de los diesel a partir de aquí, si no os importa, ya que su combustión es totalmente distinta).

Turbulencia y combustión #2

Una vez lo tenemos todo bien mezcladito, le añadimos una chispa que desencadene la reacción química, la gasolina suelta calor y aumenta la temperatura de la mezcla un pasote, y pasamos a tener dióxido de carbono (lo que soltamos al respirar, gas de efecto invernadero, y lo que hay en las burbujillas de la Coca-Cola), agua en estado gaseoso, y mucha mierda (monóxido de carbono, que puede ser letal; la gasolina que no hayamos conseguido quemar, azufre, si había algo en el combustible; partículas cancerígenas si es inyección directa…).

Y ahora sí, ¿qué es la turbulencia?

Pues así a grandes rasgos, la turbulencia es lo desordenado que está un flujo, y esto depende de lo rápido que se mueva, por dónde circule, si es pulsante, la temperatura… (sí, eso que estás pensando seguramente es un flujo bastante turbulento).

Si un flujo es lo bastante lento y nada lo perturba, es laminar, sin turbulencias. Pero poco a poco, según se va desarrollando, simplemente por rozar con el borde del conducto por el que circula, aparece una capa muy pequeña en la que empieza a influir la viscosidad, y a mezclarlo todo, hasta que al final se desordena, y la estructura laminar se va directamente a tomar por el culo.

Cualquier perturbación puede desencadenar esto… El ejemplo clásico es el humo de un cigarro sobre un cenicero. Sube de manera laminar y poco a poco se desordena hasta que se convierte en una mezcla, con el aire…

Para que no me acusen de incitación al tabaquismo te muestro el mismo principio aplicado a una bombilla rota. Flipa.

Flujo laminar vs turbulento - Turbulencia y Combustión PetrolheadGarage

¡BINGO! ¡La turbulencia ayuda a que todo se mezcle! ¿Ves la primera frase que está en negrita en el punto anterior? Necesitamos que todo esté bien mezclado si queremos sacar toda la potencia que está almacenada dentro de la gasolina y llevarla a las ruedas, y la turbulencia es nuestra aliada para esto. A más turbulento el flujo, mejor mezclado estará, y mejor lo quemaremos.

Pero la turbulencia que lleva el aire cuando va por el circuito de admisión hace que cueste más meter el aire a la cámara de combustión, lo que produce pérdidas por bombeo.

Flujo turbulento en la admisión motor turbo - Turbulencia y Combustión PetrolheadGarage

En resumen:

La turbulencia ayuda a quemar toda la gasolina, y nos permite sacar más energía en cada explosión, más potencia, eso es bueno.

La turbulencia dificulta que metamos el aire a los cilindros, y nos produce pérdidas de energía por bombeo, menos potencia, eso es malo.

¿os recuerda a algo?

¿Qué virguerías se hacen con la turbulencia?

Ahora vamos a hablar de swirl (o tumble), chapaletas, combustión homogénea y más cositas.

Swirl y Tumble en un motor de combustión interna - Turbulencia y Combustión PetrolheadGarage

La combustión de un motor gasolina a plena carga es homogénea, es decir, hay una mezcla de aire y gasolina dentro de la cámara de combustión que tiene más o menos las mismas propiedades en toda la cámara. Pero, ¿y si el motor funciona a carga parcial? (Ya lo sé, nosotros somos más racing que el infierno y siempre vamos pie a tabla, pero hay gente que no presiona el acelerador hasta hacer tope).

En ese caso, inyectamos menos sopa, así que la mezcla va a ser más pobre, corremos riesgo de que el frente de llama se rompa y no quememos toda la gasolina, soltando además más monóxido de carbono (el tóxico, que si lo respiras te reunes con Fofó), perdemos eficiencia… Una mierda.

Pero aquí viene nuestra amiga la turbulencia a echarnos una mano. Imagínate que pudieras inyectar todo el combustible sólo en una parte de la cámara de combustión, quemarlo de forma estequiométrica, y que el resto del aire se quedase alrededor sin molestar, sin llevarse parte de nuestra preciada gasolina, sin robarnos potencia. Sería la leche.

Pero, el aire que está dentro del cilindro es muy turbulento, ¡se mueve a toda hostia en todas direcciones!

Swirl en un motor de combustión interna - Turbulencia y Combustión PetrolheadGarage

La solución que dieron los ingenieros a este problema se llama swirl, o tumble, y consiste en que el aire entre girando y la inyección se produzca en el centro de este giro, de modo que el centro del torbellino sea más o menos estequiométrico, y en las paredes del cilindro (que es donde más fácil es que se rompa la llama, porque ahí se enfría) no haya gasolina. Es simple y efectivo. Es genial.

¿Y cómo se hace esto?

Pues hay dos opciones mayoritarias, orientando el colector de admisión de modo que el aire entre tangencialmente al cilindro, o mediante una chapaleta que deja fluir el aire sólo por un lado de la válvula de tulipa, como en la imagen.

Swirl en un motor de combustión interna #2 - Turbulencia y Combustión PetrolheadGarage

Pero…¿todo eso no es para llamas de difusión?

A estas alturas los más avispados habrán caído en que esto dónde realmente tiene sentido es en motores diésel (de hecho la turbulencia fue un factor decisivo para vender los motores diésel de inyección indirecta de algunos camiones en otros tiempos).

El caso es que en los motores de gasolina actuales, de inyección directa, también resulta en un mejor funcionamiento, porque aunque no es llama de premezcla (la de los mecheros Bunsen) y no llama de difusión (la de los mecheros Bic), es cierto que el proceso de inyección empieza a parecerse al del diésel y empieza a necesitar inventos propios del diésel.

Y poco más sobre el tema.

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