Proyecto Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales - Diseño del sistema de escape de un motor de combustión de 4 tiempos ...
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Proyecto Fin de Grado
Grado en Ingeniería de las Tecnologías
Industriales
Diseño del sistema de escape de un motor de
combustión de 4 tiempos para la competición
MotoStudent
Autor: José Cabrera Munuera
Tutor: Miguel Ángel Herrada Gutiérrez
Equation Chapter 1 Section 1
Dep. Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de
Fluidos
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Sevilla, 2016
2
Proyecto Fin de Carrera
Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales
Diseño del sistema de escape de un motor de
combustión de 4 tiempos para la competición
MotoStudent
Autor:
José Cabrera Munuera
Tutor:
Miguel Ángel Herrada Gutiérrez
Profesor titular
Dep. De Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2016
3
4
Proyecto Fin de Grado: Diseño del sistema de escape de un motor de combustión de 4 tiempos para la
competición MotoStudent
Autor: José Cabrera Munuera
Tutor: Miguel Ángel Herrada Gutiérrez
El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:
Presidente:
Vocales:
Secretario:
Acuerdan otorgarle la calificación de:
Sevilla, 2016
El Secretario del Tribunal
5
A mi familia
A mis maestros
A mi tutor en especial
6
Agradecimientos
****Los estilos adoptados por nuestra Escuela y utilizada en este texto es una versión y adaptación a Word® de
la versión LATEX que el Prof. Payán realizó para un libro que desde hace tiempo viene escribiendo para su
asignatura. Por ello, la Escuela le está agradecida. Por otro lado, la adaptación se hizo sobre un formato que el
Prof. Aguilera arregló, basándose en su tesis doctoral. Su aportación ha sido muy relevante para que este
formato vea la luz. Esta adaptación la llevamos a cabo el alumno Silvio Fernández, becario del Centro de
Cálculo, y yo mismo, sobre un trabajo preliminar del alumno Julián José Pérez Arias.
A esta hoja de estilos se le incluyó unos nuevos diseños de portada. El diseño gráfico de las portadas para
proyectos fin de grado, carrera y máster, está basado en el que el Prof. Fernando García García, de la Facultad
de Bellas Artes de nuestra Universidad, hiciera para los libros, o tesis, de la sección de publicación de nuestra
Escuela. Nuestra Escuela le agradece que pusiera su arte y su trabajo a nuestra disposición.
Juan José Murillo Fuentes
Subdirección de Comunicaciones y Recursos Comunes
Sevilla, 2013
7
Resumen
Este Trabajo de Fin de Grado trata sobre el diseño del sistema de escape para un motor que sigue el reglamento
de la competición MotoStudent Petrol. Durante la edición en la que este proyecto se lleva a cabo, el motor para
el que se va a diseñar el sistema de escape es un motor monocilindrico de 4 tiempos de 250cc con el objetivo de
maximizar el rendimiento del motor cumpliendo las restricciones de MotoStudent. La novedad de este estudio,
con respecto al de otros anteriores, es el análisis de la influencia de la transferencia de calor en el rendimiento
que el tendrá el motor con el uso del escape. Este estudio ha sido realizado mediante la simulación en los
programas Ansys Fluent y Mechanical APDL. Este análisis termina con la comprobación de que una
transferencia de calor mayor mejora el rendimiento. También se ha tratado el fenómeno de la resonancia para
maximizar el rendimiento alrededor de cierto régimen de giro del motor y se ha optimizado la geometría del
escape para conseguir un máximo rendimiento gracias a una fácil evacuación de los gases de escape.
8
Abstract
This Project is about the design of an exhaust system that maximizes the power output of an engine restricted to
MotoStudent regulations. During the project, the exhaust system was being designed for a 250cc 4-stroke
monocilynder engine. Compared to the previous analysis by US- Racing Engineering to the exhaust system, the
novelty is the heat transfer influence analysis to the power delivery of the engine. This whole project used
Ansys Fluent and Mechanical APDL to simulate the fluid and harmonic problems, respectively. It was proved
that as the heat transfer increased, the efficiency improved as well. This project also tried to optimize the
engine’s power output through the resonance effect and by finding the optimum geometry for exhaust gases
scavenging.
9
Índice
Índice 10
Índice de Tablas 11
Índice de Figuras 12
1 Introducción 13
1.1.Entorno del proyecto 13
1.1.1 Motostudent Petrol 13
1.1.2 US- Racing Engineering 15
1.1.3 Fabricación 16
1.2 Presentación de objetivos 17
1.2.1 Resonancia en un escape de 4T 17
1.2.2 Optimización de la geometría desde el punto de vista fluidodinámico 20
1.2.3 Influencia de la transferencia de calor del fluido al exterior 20
2 Diseño 23
2.1. Presentacin del método de diseño 23
2.2. Fase 1: Geometría óptima 23
2.3. Fase 2:Influencia de la transferencia de calor 28
2.4. Fase 3:Búsqueda de la longitud óptima para el efecto de la resonancia 32
3 Conclusiones y posibles mejoras 35
3.1 Conclusiones 35
3.2 Mejoras posibles 35
Bibliografía 38
10ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 : Propiedades y valores obtenidos para las distintas H convectivas 31
11ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 : Folleto MotoStudent Petrol y Electric 14
Figura 2 : Logo del equipo 15
Figura 3: Fabricacion de un escape por soldadura de tubos 16
Figura 4: Doblado del tubo de escape por Baileigh Industrial 16
Figura 5 : Distintas configuraciones de escape de la misma moto para el mismo circuito para
distintos pilotos 17
Figura 6: Ciclo de 4T 18
Figura 7:Ondas de presión en el escape 18
Figura 8: Apertura de las valculas (valve lift) según el angulo del cigüeñal (crank angle) mostrando
su región de cruze 19
Figura 9: Mecanismo Honda VTEC para levantamiento de válvulas distinto para regímenes de giro alto y bajo
del motor, consiguiendo un buen comportamiento y consumo en bajos sin sacrificar los altos del motor 20
Figura 10: Escape BMW “al rojo vivo”, como prueba de la temperatura que alcanzan 21
Figura 11: Geometria final del fluido con las dimensiones parametrizadas señaladas 24
Figura 12: Malla del fluido 25
Figura 12: Contornos de velocidades en la salida, con gran mayoría de área aprovechada 27
Figura 14: Contornos de presiones en el tubo 27
Figura 15: Escape Akrapovic con forma de megáfono para aumentar el rendimiento 28
Figura 16: Ducati 1199 Panigale 28
Figura 17: Colectores de escapes forrados para aislarlos 29
Figura 18: Esquema del modelo de transferencia de calor 30
Figura 19: Curva de par y potencia de la KTM 690 SMC con y sin un kit de potenciación
que consigue lo que se busca en este apartado 32
Figura 20: Respuesta acústica 33
Figura 21 :Prueba de banco de potencia de una Yamaha YZF R6 36
Figura 22: Medida experimental de las variaciones de presión a lo largo del ciclo de 4T,
en rojo la presión al comienzo del escape, con un descenso de presión el final de la etapa de escape 37
121 INTRODUCCIÓN
E l objetivo de este proyecto es el diseño del sistema de escape para el motor establecido por el reglamento
de MotoStudent de la edición durante la cual se realizó el proyecto (2014-16) para finalmente llevar el
diseño a fabricación y poder ser usado por el equipo US-Racing Engineering. El alcance del proyecto
incluye todas sus fases de diseño y los cálculos hechos durante las mismas.
En el primer capítulo se hablará del entorno en el que se encuentra el proyecto, como parte del trabajo hecho por
US-Racing Engineering, el equipo de la Universidad de Sevilla en la competición MotoStudent. Además se
introducirán los objetivos que se marcan en este trabajo. Además, se comentará de forma breve el método de
fabricación del escape, ya que no entra en el alcance del proyecto dado que no será hecho por el autor del mismo,
aunque estará presente durante el proceso y participara en menor medida.
Más adelante, en el capítulo dos se tratara con más detalle el desarrollo de las fases de diseño que se han realizado
para cumplir u optimizar los objetivos.
Los últimos capítulos reunirán las conclusiones y posibles mejoras del proyecto, ya sean a optimizar el escape en
si o mejoras que proporcionen una mayor precisión en los cálculos y que por tanto den unos resultados más
fiables.
1.1 Entorno del Proyecto
1.1.1 MotoStudent Petrol
MotoStudent es una competición, promovida por Moto Engineering Foundation y TechnoPark MotorLand, que
reúne a muchos equipos de estudiantes de muchas universidades de todo el mundo con la meta de diseñar y
fabricar una moto con la que competir contra los demás equipos.
Esta IV edición de MotoStudent ha ofrecido dos competiciones distintas como se ve en la Figura 1: MotoStudent
Electric, en la cual se diseña una moto eléctrica y MotoStudent Petrol. Como es lógico este proyecto está
involucrado solamente en MotoStudent Petrol.
En esta versión de MotoStudent, los estudiantes tienen que cumplir un reglamento para mantener cierta igualdad
entre los equipos. La restricción más grande es el uso de un mismo motor para todos los equipos, proporcionado
por la misma organización al pagar la inscripción. Éste además no puede ser a penas modificado, estando sellado
y precintado para garantizarlo.
En concreto, durante esta edición, el motor es el de la Honda CBR250, un motor monocilindrico de 250cc de 4
tiempos (4T).
13Figura 1: Folleto MotoStudent Petrol y Electric
Con respecto a la normativa y restricciones que afectan al diseño del escape, aquí se presentan:
- No se permiten modificaciones en el conducto de escape del motor, lo que significa que el escape
diseñado tiene que adaptarse a él, y no al revés, y que por ejemplo no se podrán hacer modificaciones del
tipo aumentar el diámetro del conducto para permitir una evacuación de un caudal mayor de gases de
escape.
- Está prohibido el uso de partes móviles en el sistema de escape a partir de las válvulas de escape del
motor, como por ejemplo válvulas de escape que varían la geometría del escape para diferentes
revoluciones del motor, consiguiendo “el escape ideal” para cada momento o como podría ser el caso de
un turbocompresor.
- La sonoridad del escape está limitada a 115 dB medidos de manera estática a 5500 RPM, por lo que el
escape no podrá ser completamente “escape libre”, si no que necesitara un silencioso que limite el sonido
al nivel anteriormente dicho.
- El escape estará también restringido geométricamente por una serie de límites dimensionales de carácter
general de la motocicleta.
Todos estos puntos, junto a las demás normas que establece el reglamento serán comprobados por la organización
y podrán descalificar a cualquier equipo que las incumpla.
14La competición de MotoStudent comprende dos partes, llamadas MS1 y MS2:
- La fase MS1 es una fase demostrativa en la que los equipos participantes deberán mostrar y explicar el
diseño del prototipo realizado y el proyecto de industrialización para su producción en serie. Esta fase
pretender ser una oportunidad para que los alumnos participantes puedan aplicar los conocimientos
adquiridos durante su formación en un proyecto “real”, demostrando los aspectos y dificultades que
puede conllevar un proceso de fabricación industrial y el lanzamiento de un producto al mercado.
- La fase MS2 consiste en una serie de pruebas planteadas para evaluar el comportamiento dinámico y las
prestaciones de la moto fabricada, así como la destreza de los equipos en mecánica y Organización. Esta
fase concluye con la carrera, en la que todos los equipos prueban el trabajo que han hecho frente al de
los demás.
MotoStudent siempre se ha celebrado a principios de octubre cada dos años, siendo la competición para la cual
se hace este proyecto en octubre de 2016. Todo el evento tiene lugar en las instalaciones del Circuito de
Motorland, Aragón, España.
1.1.2 US-Racing Engineering
Como ya se ha mencionado, este es el nombre del equipo de la Universidad de Sevilla (US) que participa en
MotoStudent. El logo del equipo se puede ver en la Figura 2. Lo componen estudiantes de ingeniería de la Escuela
Técnica Superior de Ingenieros (ETSI) y de la Escuela Politécnica Superior (EPS), encargados de la parte técnica
del trabajo, junto a otros estudiantes de otros estudios como son Marketing y Publicidad, que se ocupan de
gestiones económicas, publicitarias y otras tareas que también son necesarias para que el equipo pueda seguir
adelante.
Figura 2: Logo del equipo
En la pasada edición el equipo tuvo problemas durante la fase MS2 y no pudo competir en ella pero se alcanzó
una orgullosa tercera posición en la MS1, en la que se presentaba un sistema de suspensión trasera muy innovador
que solucionaba ciertos problemas a los que se enfrentan las motos.
151.1.3 Fabricación
Para la fabricación de la motocicleta completa, MotoStudent promueve hacerla en su mayoría por los mismos
integrantes del equipo o por centros de formación profesional que se adhieran de alguna forma al equipo. Este es
el caso de cómo se fabricara el chasis para esta edición pero no como se hará el escape. Para el escape, al contrario
que muchos equipos que simplemente compran y adaptan partes comerciales, hemos decidido diseñarlo nosotros
y pedir que nos lo fabrique un especialista, siguiendo, dentro de lo posible, el diseño establecido. Esto tiene la
ventaja de que el escape será el óptimo para el motor que usara la motocicleta y para el uso de competición que
tendrá.
Figura 3: Fabricación de un escape por soldadura de tubos
El escape se fabricara soldando tubos de acero siguiendo la geometría definida aquí como la geometría optima tal
como muestra la Figura 3. Para esto último, haremos mediciones con un sonómetro proporcionado por un
patrocinador del equipo y se buscara silenciar lo mínimo el sonido pero siempre dentro del límite, ya que una
mayor silenciación será a costa de una mayor restricción del flujo y por tanto una pérdida de potencia útil del
motor.
La forma alternativa de la Figura 4 es mediante el doblado de tubos, pero si se busca un escape en el que haya
posibles incrementos de sección, sería necesario también soldar esas zonas en las que se produce un incremento,
por tanto merece la pena soldarlo al completo, ya que además da más libertad a la geometría porque el doblado
tiene un límite.
Figura 4: Doblado del tubo de escape por Baileigh Industrial
161.2 Presentación de objetivos
En este apartado se hará una breve explicación de los objetivos y la teoría que los acompaña.
1.2.1 Resonancia en un escape de 4T
El diseño enfocado a la “resonancia” en un motor de combustión se refiere al uso de las ondas que se crean cuando
hay cambios violentos de presión en determinadas zonas del escape para aumentar la potencia de un motor. En
el caso de los motores de 2 tiempos, este fenómeno es muy importante ya que al no disponer de válvulas que
regulen la entrada y salida de materia en la cámara de combustión, son estas ondas de presión la que regulan esto,
y es por ello por lo que un cambio en un escape en un motor de 2T tendrá mucho más impacto en el
comportamiento de un motor que lo que haría en un 4T.
Aunque sea menos importante que en un motor de 2T, no significa que no lo sea, como prueba tenemos las
distintas configuraciones de escape (variaciones en la geometría) que tienen en MotoGP para mismos circuitos y
distintos pilotos en la Figura 5. Se consigue distinto comportamiento para escape, es decir,” más potencia en este
rango de revoluciones a cambio de un poco menos en otro porque el piloto lo prefiere”.
Figura 5: Distintas configuraciones de escape de la misma moto para el mismo circuito para distintos pilotos
El fenómeno de la resonancia necesita una explicación previa:
Cada vez que el ciclo de 4 Tiempos (figura 6) hace la fase 4ª (escape) la válvula de escape se abre rápidamente
y provoca una onda de presión, o pulso, que viaja a través del escape. Esto ocurre ya que la apertura de la válvula
es rápida, como se ha mencionado antes, y porque en la cámara de combustión los gases resultantes se encuentran
a muy alta presión en comparación con la presión prácticamente atmosférica que existe en el escape.
17Figura 6: Ciclo de 4T *
Este pulso tendrá dos opciones según a lo que se enfrente, volver como una onda prácticamente igual (algo menor
por amortiguamiento y otras perdidas) si se encontrara con un final cerrado o volver como una onda invertida
(“onda de depresión”) si se encontrara un final abierto como puede ser el mismo final del escape. Es este último
caso el que nos interesa, y por eso está representado en la siguiente figura:
Figura 7: Ondas de presión en el escape
La razón por la cual estas ondas son beneficiosas es bastante lógico, si se consigue que estas ondas de depresión
lleguen a la válvula de escape justo cuando ésta se abra de nuevo para la fase de escape del siguiente ciclo, el
*
TDC: punto muerto superior del mecanismo biela manivela del ciclo de 4T, del inglés Top Dead Center.
BDC: punto muerto inferior, del inglés Botom dead center.
Induction (o también Intake), Compression, Ignition y Exhaust son las distintas fases del ciclo de 4T, admisión,
compresión, explosión y escape.
18pistón tendrá que ejercer una menos fuerza para sacar los gases (menos trabajo perdido en el ciclo de 4T) y además
se garantiza una mejor evacuación de gases de combustión en el cilindro, lo que mejora la llamada eficiencia
volumétrica*, ya que el cilindro estará más vacío de sustancias inertes (gases de la previa combustión), las cuales
no pueden reaccionar con el combustible. Para conseguir esto, se busca una longitud total del sistema de escape
que sea la que recorrería la onda en el tiempo entre una fase de escape y la siguiente. La velocidad de esta onda
es la velocidad del sonido más la velocidad del fluido en el escape, pero como la onda va a favor del fluido y
después en dirección contraria , a efectos de cálculo se usa la velocidad del sonido solamente ya que se anulan el
efecto de la ida y la vuelta.
El efecto es aún más beneficioso cuando el motor al completo está diseñado para máxima potencia (no mínimo
consumo)**. En esta clase de motores el overlap o cruce de válvulas hace que esta onda de depresión no solo
descargue el cilindro de sustancias inertes sino que también lo empiece ya a cargar de mezcla “fresca”,
aumentando aún más la eficiencia volumétrica*. En la siguiente figura se puede ver observar el “overlap”:
Figura 8: Apertura de las válvulas (valve lift) según el ángulo del cigüeñal (crank angle) mostrando su región de cruce
*Eficiencia volumétrica: ratio volumen de mezcla aspirada dentro del cilindro entre el volumen barrido por el
pistón (cilindrada de un motor). Una mayor eficiencia volumétrica se traduce en una mayor explosión (y por
tanto entrega de potencia) para una misma cilindrada.
*Diseño para máxima potencia/mínimo consumo: en un motor, cuanto mayor sea el tiempo que la válvula de
escape y admisión están “cruzadas” (abiertas a la vez) mejorara, hasta un límite, la potencia máxima, ya que
como se ha explicado anteriormente, ayuda a que se cargue la cámara de combustión con más mezcla aire-
combustible a cambio de que parte de esta se vaya, sin haber formado parte de la combustión y por tanto sin
entregar trabajo útil, a través del escape. Es por esto por lo que el diseño de mínimo consumo seria “idealmente”
un cruce nulo de válvulas.
19Muchos motores de alta potencia vienen ya equipados con un overlap y una apertura variable en función de las
revoluciones ( y otros parámetros ) del motor para beneficiar un mayor rango de RPM, como es el caso de la
tecnología V-TEC(Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) de Honda de la siguiente figura:
Figura 9: Mecanismo Honda VTEC para levantamiento de válvulas distinto para regímenes de giro alto y bajo del motor,
consiguiendo un buen comportamiento y consumo en bajos sin sacrificar los altos del motor.
Dado que MotoStudent prohíbe la modificación del motor, y con ello un cambio de árbol de levas, que es el
elemento responsable del levantamiento de las válvulas, esta última parte no se contemplará.
La motocicleta diseñada por US-Racing se beneficiara por tanto del fenómeno resonancia exclusivamente para
vaciar la cámara de combustión.
1.2.2 Optimización de la geometría desde el punto de vista fluidodinámico
Este objetivo es más simple de explicar aunque no por ello simple de conseguir, se busca maximizar el gasto
másico, que para una misma presión y área de entrada nos garantiza una minimización de la restricción del flujo:
- Se tratara de conseguir un tubo con curvas suaves, el mínimo de codos y otras características (como el
mínimo silencioso que cumpla el reglamento) para que no hagan más difícil el flujo de los gases en el
escape.
- Un compromiso en el diámetro del escape ya que desde el punto de vista fluidodinámico un mayor
diámetro provocara una disminución de la velocidad del fluido y por tanto menores perdidas de carga,
pero también suavizaría las ondas de presión y de depresión anteriormente mencionadas ,por lo que
disminuiría el efecto beneficioso de la resonancia y , en caso de ser interesante mantener un buen par
motor a bajas RPM, que no lo es por ser una moto de competición, un escape de menor diámetro
aumentara la velocidad de los gases , con lo que la misma inercia de los mismos ayudaría a vaciar la
cámara de combustión.
1.2.3 Influencia de la transferencia de calor del fluido al exterior
Esta sección es la que se incorpora como novedad en el diseño del escape por parte del equipo US-Racing
Engineering. Se busca investigar el impacto que tiene la transferencia de calor en el rendimiento extra que el
escape proporciona al motor.
20En un principio se quiso investigar, y de hecho se indagó un poco, la obtención de energía vía generadores
termoeléctricos tipo como las células Peltier, que generan electricidad cuando un flujo de calor las atraviesa. Se
pensó usar esta energía para alimentar los consumibles eléctricos de la motocicleta y así evitar la potencia parásito
que el alternador “roba” al motor. Se hicieron números gordos, y la potencia que se le ganaría, en caso de ser
posible quitar el alternador del motor o disminuir la potencia que, otra vez, “robaba” al mismo el escape debería
ser, prácticamente, forrado de células Peltier para suplir el consumo eléctrico, ya que el rendimiento de estas
placas es bastante bajo, lo que iba a añadir un peso que no venía compensado por una mejora notable en potencia
útil.
Más tarde se verá que, además de la razón explicada anteriormente para abandonar el estudio de la generación
termoeléctrica, el estudio de transferencia de calor arrojo el resultado de “mayor gasto másico cuanto más calor
cediera el fluido, es decir, cuanto más se enfriara el fluido. Las placas harían parcialmente de aislante por lo que
esta fue otra razón más para abandonar el estudio, ya que había más desventajas que ventajas.
Otra razón que negó la posibilidad del uso de estas placas es las temperaturas a las que llegaba el tubo de escape,
que estaban fuera del rango de trabajo de las placas (cerca de 500º C justo a la salida como se puede ver en la
Figura 10). Se podría solucionar este problema con pasta térmica que aislara un poco la placa del escape, pero
entonces se añaden los siguientes problemas:
- Estaría añadiendo peso (pasta y placas) a cambio de una obtención muy pequeña de energía, ya que la
pasta aísla.
- Como ya se verá, el escape no interesa tenerlo aislado desde el punto de vista del rendimiento.
- La instalación, con la solución para poder adaptar las placas Peltier a la zona más caliente del escape,
sería muy compleja y cara, ya que la pasta es cara, y se tendría que hacer la sustitución del alternador por
un módulo que regule la energía eléctrica que llega a los consumibles instalados en la motocicleta.
-
Figura 10: Escape BMW “al rojo vivo”, como prueba de la temperatura que alcanzan
21También se estudió el uso de generadores térmicos como se usan en Fórmula 1, haciendo uso del ciclo de Rankine.
Este análisis vio su fin rápido, ya que supondría un gran aumento de peso y complejidad, se salía fuera del alcance
del proyecto y tenía dudosa compatibilidad con el reglamento de MotoStudent.
El estudio por tanto consistía en ver la influencia en el gasto másico (como medida de la restricción que oponía
el tubo al fluido) que tenía el hecho que el fluido ceda calor al exterior en vez de estar aislado y evacuar todo su
calor cuando es expulsado a la atmosfera.
El resultado se preveía positivo para el caso no aislado, ya que en competición no se ve ningún escape aislado y
siempre se tiende a usar paredes de escape lo más delgadas posibles. Esto además se hace por ahorrar peso, pero
está claro que en ningún momento se busca aislar el escape.
222 DISEÑO
2.1 Presentación del método de diseño
El diseño del Sistema de escape contiene distintas fases para optimizar los objetivos previamente descritos. Las
fases de diseño serán presentadas en el orden en el que se desarrollaron. Es importante decir que el orden tiene
una explicación y no fue aleatorio, se decidió seguir el orden más eficiente en cuanto al trabajo requerido para
llegar los objetivos. Dado que las fases entre si tienen cierta dependencia se ha hecho el diseño desde la fase que
más independiente era hasta la más dependiente, de esa forma se hará primero la optimización geométrica desde
el punto de vista de la maximización del gasto másico, correspondiente al punto 1.2.2 de la presentación de
objetivos, seguido del estudio de la influencia de la transferencia de calor y por último el diseño para resonancia.
Este orden se escogió ya que la geometría (“spline” o línea curva que sigue el tubo de escape) viene limitada por
otros elementos de la moto, que aunque existan otros spline mejores, interfieren con otras partes del conjunto o
son poco ventajosas. Por tanto la geometría queda casi definida por la moto en conjunto. La geometría iba a dar
por tanto un área y una forma determinada para el estudio de transferencia de calor. Una vez hecho todo esto, se
obtienen los datos necesarios para el estudio de la resonancia y se ve si el escape tiene una longitud adecuada. En
caso de no tener la longitud requerida, simplemente se modificaría la última parte del escape (alargarla o acortarla)
y por ultimo rehacer un test por asegurar que nada ha cambiado a peor o lo suficiente para tener que hacer una
completa iteración en las anteriores fases.
2.2 Fase 1: Geometría óptima
Esta fase como ya se ha dicho busca maximizar el gasto másico para unas condiciones de presión, temperatura y
área de entrada al tubo. Esto es porque el pistón cederá al fluido más trabajo cuanto más le cueste expulsar los
gases de escape, por tanto disminuyendo la potencia útil del motor.
El procedimiento para el diseño de la geometría, algo engorroso, pero tras la evaluación de varias opciones y la
elección del mismo por la facilidad frente a otros a iterar y modificar poco a poco la geometría, fue:
- En Catia, programa usado por el equipo US-Racing Engineering para el modelado de la motocicleta, se
creaba el spline que guiaría el tubo de escape, ya que en este programa se podía ver el resto de la moto y
ver los espacios disponibles para el spline. Esto no se pudo hacer directamente con la herramienta CAD
de Ansys (Design modeler) por incompatibilidad con el fichero CAD del motor proporcionado por la
organización MotoStudent.
- En Design modeler (DM), se extruía el spline por partes, de las cuales, las que eran rectas, se hacían con
tramos algo cónicos para ir aumentando poco a poco el diámetro del tubo para maximizar el gasto másico.
Esto se hizo ya que se apreció en escapes de competición y se comprobó que era más beneficioso ir
incrementando la sección por tramos que hacer un gran incremento en la parte final. Esto último creaba
zonas con flujo en el sentido contrario en la salida del escape, disminuyendo el gasto másico, por eso el
uso de un incremento por partes.
23En design modeler se parametrizaron esos incrementos de sección y la longitud del último tramo recto,
denominado megáfono por la forma que tiene, para así variar esos valores con facilidad y buscar los
valores óptimos más eficientemente.
En la figura 11 se puede ver la geometría ya terminada con los parámetros señalados.
Para resumir el proceso:
Spline en Catia Extrusión del spline y parametrización en DM Mallado Ensayo
El fallo de este método era que si el spline cambiaba, se tenía que volver a reconfigurar la geometría y la malla
en Ansys y eso era una pérdida de tiempo grande. Esto se habría evitado si el CAD del motor hubiera sido un
archivo con mayor compatibilidad.
Figura 11: Geometría final del fluido con las dimensiones parametrizadas señaladas
Una vez teníamos el modelo mallado como se ve en la siguiente figura, se pasaba a configurar Fluent con las
condiciones de contorno y la configuración necesaria para resolver el problema.
24Figura 12: Malla del fluido
Para la obtención de dichas condiciones de contorno se ha investigado en distintas fuentes sobre diseños de escape.
El área de salida es un parámetro conocido y en el que no hay error, sería tan fácil como medirla si el fabricante
no la proporcionara. Para la presión y temperatura eso no es tan fácil, ya que depende de multitud de cosas, como
son:
- Configuración del motor: por ejemplo un overlap grande de las válvulas de escape y admisión refrigeraría
los gases de escape por la mezcla con parte de la carga fresca, como se ya se mencionó. La geometría de
la cámara de combustión, la relación de compresión, la velocidad del pistón y de apertura de las válvulas
frente al giro del cigüeñal también influirá en esto, como muchas cosas más.
- El uso de elementos distintos a los de serie: igualmente, si el fabricante hubiera dado las tablas
mencionadas antes, el uso de un conducto de admisión y escape distinto a los de serie cambia mucho las
condiciones.
- Gestión del motor: incluso si el fabricante nos diera unas tablas de como varia presión y temperatura para
distintas RPM y demandas* del motor, ya que la moto tendrá una gestión distinta configurada por el
equipo US-Racing Engineering que pueden cambiar bastante estas condiciones siendo estrictos.
Por estas razones se ha usado los valores orientativos que ofrecen algunas bibliografías para distintos tipos de
motor, intentando acercarnos lo máximo al motor monocilíndrico de 250cc de 4T para, así conseguir un resultado
de los ensayos de lo más fiable posible.
Los gases en la cámara de combustión cuando están preparados para ser expulsados se encuentran a temperatura
y presión superiores a 500ºC y 5 bar, respectivamente, pero es la temperatura y presión media de los gases durante
la fase de escape del ciclo de 4T la que se ha usado (ya que la presión va disminuyendo a medida que el cilindro
se vacía), usando los valores recomendados en las bibliografías comentadas. Los gases se suponen que entran en
el escape a 500ºC (773.15 K) y entre 1.5 y 1.1 atm según las RPM y la carga* del motor.
*Cuando se usa “demandas del motor o carga del motor”, se refiere a la apertura de la mariposa de admisión,
unida directamente y accionada por el acelerador de la motocicleta.
25Para los ensayos se han usado finalmente las siguientes condiciones de contorno:
- Entrada: 773.15K y 1.3 bar, aunque también se han probado con otras presiones dentro del rango antes
especificado sin obtener un cambio mucho más allá de un gasto másico mayor o menor en función de la
presión.
- Salida: Presión atmosférica y temperatura de 300 K.
Las características del gas de escape se han obtenido también de las mismas bibliografías y se ha usado la
aproximación de gas ideal para la densidad y polinomios de tercer grado en temperatura para evaluar el calor
específico, la conductividad térmica y la viscosidad. En cuanto a la configuración de Fluent, se ha investigado un
poco en la ayuda del mismo programa y otras bibliografías el uso de otros métodos de resolución distintos al ya
usado en el anterior proyecto de escape de US- Racing Engineering , pero se mantuvo el método, ya que es de los
más rápidos manteniendo una buena precisión. Este método usa las opciones:
- Acoplamiento de velocidad y presión : Simple
- Discretización espacial :
1. Gradiente : Least square cell based
2. Orden de las discretizaciones: Segundo grado, excepto cuando se presentaban problemas de
convergencia y se resolvía primero con grado 1 y después 2.
También se investigó el procesado en paralelo para obtener los resultados aún más rápido haciendo uso de más
de un procesador del ordenador y dividiendo el problema en partes para que esto se pudiera hacer. Este cambio
principalmente redujo el tiempo de solución drásticamente, haciendo mucho más fácil y rápido el diseño con
cambios minúsculos hasta llegar a la geometría óptima. La partición del problema podía ser manual o automática.
Se comprobó que la automática hacia el trabajo muy bien y que lo hacía mucho más rápido y fácil que se hacía
manualmente.
Una vez se obtenía la solución, se evaluaban distintas gráficas para evaluar posibles cambios y así mejorar un
poco más la geometría. Principalmente se veía:
- Flujo en la salida a la atmosfera, en busca de zonas en las que pudiera haber flujo inverso y provocara
una disminución del área efectiva de salida. Cambiando las curvaturas aguas arriba y los incrementos de
sección ya mencionados se redujo este defecto hasta lo que se ve en la figura 13.
- Presiones a lo largo del tubo, ya que con ellas se sabría donde existen las mayores caídas de presión y
en caso de poder modificar la geometría, optimizarla. En la figura 14 se pueden ver los contornos de
presiones a lo largo del tubo. Para evitar estas pérdidas de carga, se suavizaron al máximo los codos,
siendo imposible la ocurrida en el primer gran codo.
26Figura 13: Contornos de velocidades en la salida, con gran mayoría de área aprovechada
A pesar de que estos contornos ayudaban a ver por donde seguir optimizando el tubo, había veces que el gasto
másico disminuía aunque aparentemente mejorara la geometría para alguna de estas características, en esos casos
la modificación se revertía.
Figura 14: Contornos de presiones en el tubo
El gasto másico máximo fue 0.3103kg/s para una presión de entrada de 1.3 bares y es el correspondiente a las
figuras anteriores, denominada la geometría óptima.
27Es necesario notar el efecto del megáfono final, que conseguía, como se ve, una disminución de presión justo
antes del comienzo del mismo, consiguiendo un buen rendimiento gracias a un superior gasto másico con respecto
al llamado escape libre recto. En la figura siguiente se tiene un ejemplo de un escape tipo megáfono.
Figura 15: Escape Akrapovic tipo megáfono para aumentar el rendimiento
Esta geometría por tanto se consideraba prácticamente definitiva, a esperas de cambio sólo en la longitud del
megáfono, según dijera la tercera fase de diseño.
2.3 Fase 2: Influencia de la transferencia de calor
Esta segunda fase fue motivada por la observación de dos cosas en el mundo de la competición o de la búsqueda
de máxima potencia a costa de pequeños detalles:
- La curiosa forma en la que el escape de la Ducati 1199 Panigale sale de la carrocería:
Figura 16: Ducati 1199 Panigale
28- Usos de cintas térmicas, aislantes, que forran el escape en motores que son preparados para aumentar su
potencia.
Figura 17: Colectores de escapes forrados para aislarlos
- El simple hecho que el escape no iba a estar en un principio (y al final, ya que se comprobó que la perdida
de calor era beneficiosa) aislado, por tanto un análisis sin contar con la transferencia de calor iba a ser
una fuente más de imprecisión, en este caso importante porque para la 3ª fase de diseño necesitamos la
temperatura de los gases para calcular ciertas propiedades, y por tanto el error sería mayor en el caso de
no contarse con la transferencia de calor.
Como comienzo de la fase, se intentó investigar la razón del diseño del escape de la Ducati de la figura 16 y el
aislamiento del escape de la figura 17.
En cuanto al diseño del sistema de escape de la Ducati expuesto al exterior no se encontró nada, era secreto de la
marca y ninguna otra marca tenía un diseño con el escape al exterior de este estilo de motos, así que se ha
propuesto una única explicación, un escape refrigerado es mejor en cuanto a potencia, ya que de no serlo, no
incluirlo dentro del carenado seria añadir un freno aerodinámico.
Con respecto al aislamiento, se ha encontrado un montón de razones que no tienen qué ver con rendimiento ,
como es la protección ante quemaduras o la estética, pero se han encontrado fabricantes que afirman que mantener
el calor mantiene una densidad baja y una mayor facilidad para expulsar los gases de escape y por tanto más
potencia. Esto último estaría en desacuerdo con el escape de la Ducati.
Por último, se vio en varias referencias de mecánica de competición, que la cinta aislante para los escapes debe
ser solo usada en coches turboalimentados, en el colector sólo antes del turbo. Esto es porque cuanta menos
energía se pierda, más energía se tendría disponible para hacer rotar la turbina y por tanto se podría obtener más
presión en la admisión, consiguiendo elevar la eficiencia volumétrica. Además, la mayoría de las fuentes advertían
29que para aislar un escape hay que asegurarse que el material del que este hecho el escape permite las temperaturas
que se alcancen cuando se aísla, y que incluso si es un material adecuado para el uso del aislante, disminuirá su
vida notablemente. Es por eso que solo se use en competición, donde mientras una mejora en la potencia es más
importante que acortar la duración de un elemento.
Como la motocicleta diseñada por el equipo US- Racing Engineering no iba a ser turboalimentada (por
prohibición en el reglamento), el aislamiento tenia cada vez menos sentido.
Una vez se había visto distintas situaciones y opiniones, se procedió a ensayarlo en Ansys Fluent. Las condiciones
serían las mismas que en el último estudio de la fase 1, con las necesarias modificaciones para tener en cuenta la
transferencia de calor. El modelo que se ha usado está representado en la siguiente figura y las modificaciones
antes mencionadas son:
- Inclusión del tubo en el modelo de Fluent, a través de una pared de 3mm de espesor de acero con una
conductividad térmica aproximada por un polinomio lineal con la temperatura.
- H convectiva parametrizada, que iba a ser barrida de 0 hasta 100 (W/m2.K)*.
- Seguimiento de la temperatura media ponderada por la masa de todo el fluido para ver cómo cambia,
además de la densidad y la velocidad del sonido, que serían interesantes para la siguiente fase.
Figura 18: Esquema del modelo de transferencia de calor
*Se ha quedado fuera del alcance del proyecto el cálculo del coeficiente convectivo aproximado para el exterior
y la radiación que exista entre el tubo y el entorno. Esto se ha hecho porque la situación del escape en el conjunto
no se conocía para la fecha de entrega del proyecto, por tanto se decidió que para perder tiempo en una cosa
incierta tan dependiente del entorno en el que se encuentre como son los factores de forma para radiación y la H
convectiva, el análisis va a hacer un barrido de valores de la H convectiva desde 5 hasta 100 (W/m2.K), que son
30los valores típicos del aire desde convección natural hasta convección forzada, suponiendo como casos limites la
situación en la que el escape este totalmente encerrado por el carenado o estuviera totalmente expuesto al aire
circulante a la velocidad que la motocicleta circule.
Dada la situación, se quería ver la influencia en el gasto másico que tiene el aumento de la h convectiva y así ver
si el escape será resguardado por el carenado o debería hacerse un estudio aerodinámico de la motocicleta
completa para comprobar si un beneficio en el escape merece la pena por el sacrificio aerodinámico. El fluido
exterior para la convección será, en cualquier caso, aire a 300 K y 1 atm.
Una vez hecho los ensayos para los distintos coeficientes de convección, se presentaron en una tabla para así
poder ver los resultados y compararlos:
H convectiva 0 25 50 75 100
(W/m2.K)
Temperatura 7.454e2 7.428e2 7.404e2 7.377e2 7.351e2
(K)
Densidad (kg/ 8.665e-1 8.683e-1 8.703e-1 8.707e-1 8.717e-1
m3 )
Velocidad del 551.06 550.22 549.43 548.51 547.63
sonido (m/s)
Gasto másico 3.103e-1 3.120e-1 3.130e-1 3.162e-1 3.189e-1
(kg/s)
Tabla 1: Propiedades y valores obtenidos para las distintas H convectivas
La respuesta al diseño del escape de Ducati estaba claro entonces y lo mismo con la advertencia de los
especialistas en mecánica de solo aislar el escape en la zona previa al turbo, y no la posterior a él. Se consiguió
un aumento en el gasto másico del 2.7%.
El problema que se planteó con este caso, fue que la zona más caliente del tubo era lógicamente el primer codo
el cual era imposible de dejar al aire libre ya que tenía el radiador justo delante de él y por tanto dejaba de tener
sentido si solo había un incremento 2.7% en el gasto másico en el caso extremo de convección forzada máxima
en todo el tubo. La posibilidad de sacar el escape del carenado podría mejorar el gasto másico, por tanto, en
bastante menos del 2.7% siendo negativa su viabilidad ya que esto tendría un coste aerodinámico.
Otra razón por la que se descarto fue porque el equipo US-Racing Engineering no iba a diseñar y fabricar el
carenado artesanalmente como lo hizo la edición anterior, comprando un carenado comercial, al cual iba a ser
difícil añadir las modificaciones necesarias para sacar el escape a su exterior.
Al llegar a este resultado, se finalizó la fase 2 de diseño, de la cual se usarán los datos de densidad y velocidad del
sonido del fluido para la fase siguiente.
312.4 Fase 3: Búsqueda de la longitud óptima para el efecto de la resonancia
Para esta última fase de diseño, como se comentó en la introducción teórica del fenómeno, se busca una longitud
del escape total (por medio de modificar la longitud de la última parte recta del tubo) que sea tal que cuando la
onda de presión viaje en la dirección del fluido y vuelva como onda de presión hasta la válvula de escape, esta
última esté abierta. El problema aquí radica en que el tiempo que tarda el ciclo de 4T y por tanto el tiempo entre
una apertura y la siguiente de la válvula de escape varía con la velocidad de giro del motor, esto significaría que
la resonancia ocurriría solo para un valor de giro del motor y no para los demás. Eso no es del todo cierto, ya que
alrededor de esta frecuencia también se ve aumentado el rendimiento porque la válvula de escape se mantiene
abierta durante un tiempo, por tanto esa onda puede llegar un poco antes o un poco después.
Las revoluciones objetivo a las que se quiere conseguir la resonancia son 8500 RPM, que son las revoluciones
para las que el motor da la potencia máxima (19.42 kW de serie), aunque no se ha elegido la cifra de 8500 por
eso, si no por estar a medio camino entre el par máximo (a 7000 RPM) y el corte de inyección o límite de
revoluciones, siendo este a 10500 RPM. Estas revoluciones, convertidas en Hertzios serían:
- Cada ciclo de 4T el cigüeñal da dos vueltas y se abre la válvula de escape una vez.
- 1 RPM son 1/60 Hz.
Por tanto la frecuencia objetivo está en el entorno de 8500/(2·60)=70.83 Hz.
Lo que se pretende es alargar y atrasar un poco la zona de par máximo para que el motor entregue más potencia
durante el rango entre cuando el que el par empieza a decaer después del máximo hasta el límite de revoluciones.
En la figura siguiente se puede ver lo que se quiere hacer. Las líneas rojas representan lo que se buscaría cambiar
con respecto a la moto de serie (líneas azules).
*Nota: la gráfica de la siguiente figura no corresponde al motor en cuestión, solo se ha usado para mostrar lo que
se busca hacer con la sintonización de la resonancia del escape.
Figura 19: Curva de par y potencia de la KTM 690 SMC con y sin un kit de potenciación que hace lo que se busca en este apartado
32Para la obtención de la frecuencia de resonancia se usó el mismo programa Ansys, pero en el subprograma
Mechanical APDL en su módulo de acústica.
El procedimiento para preparar el cálculo consistía en mallar el fluido, aplicar una presión unidad en la entrada
del escape con un barrido de frecuencia de 0 a 200 Hz y ver la frecuencia a la que se obtenía la máxima
amplificación de esa presión en cualquier nodo de la salida.
En este análisis, antes que nada se comprobó el efecto del diámetro del tubo para la resonancia para saber si iba a
ser un parámetro más a ajustar o de lo contrario podía ser ajustado con otro criterio ya que no influía en esto.
Haciendo un ejemplo del mismo escape pero con una variación del diámetro final se vio que el diámetro también
influía, de la misma forma que la longitud del escape, un mayor diámetro, una menor frecuencia de resonancia.
También se estudió la influencia entre las distintas densidades y velocidades del sonido del fluido obtenidas con
las distintas condiciones de convección. En este caso, las diferencias entre el máximo coeficiente y el mínimo
fueron despreciables. Es por esto que para los siguientes ensayos se usó el caso de H=25 (W/m2.K) por escoger
uno, ya que no tenía influencia. Era previsible ya que las propiedades cambiaban muy poco.
A continuación se presenta el resultado del análisis acústico del modelo final:
140
120
100
Amplificación
80
60
40
20
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Frecuencia (Hz)
Figura 20: Respuesta acústica
Para el modelo final se alargó la última parte recta 40 mm con respecto al de la fase 1 (longitud total de 340mm)
y se mantuvieron los diámetros tal como estaban. Esto se hizo dado que la frecuencia de resonancia que se obtuvo
para el primer ensayo fue 80 Hz, que correspondía a 9600 RPM, que era demasiado alto, ya que se iba a perder
el efecto en la parte posterior a las 9600 RPM prácticamente ya que estaba muy cerca del límite del motor.
33El gasto másico apenas se vio afectado, cambió a 3.1183e-1 kg/s seguramente por el simple hecho de alargar el
tubo y por tanto alargar la zona de fricción. Este ensayo, como tiene solo 0.0007kg/s de diferencia con el mismo
cuando la longitud del megáfono era 300mm (3.120kg/s) en vez de los 340 de este modelo final.
Por tanto, con este modelo se había llegado al modelo óptimo, con una frecuencia de resonancia a 69.87 Hz,
declarado como modelo final y el que se iba a fabricar para la moto de US- Racing Engineering.
343 CONCLUSIONES Y POSIBLES MEJORAS
Para terminar este proyecto, se procede a comentar las conclusiones que se han sacado durante el desarrollo del
mismo y una serie de formas de mejorar el proyecto.
3.1 Conclusiones
Como primera conclusión y más importante, ya que ha sido la novedad del proyecto con respecto al equivalente
del equipo US-Racing Engineering en la edición anterior de MotoStudent, la poca influencia de la transferencia
de calor en el tubo de escape. En el gasto másico hubo un 2.7% de incremento del caso adiabático al caso con la
convección máxima y en el estudio de resonancia no había diferencias apreciables.
Se ha probado que los ingenieros de Ducati buscaban potencia ante todo al exponer el escape al exterior. En esta
motocicleta, el carenado ha sido exclusivamente diseñado para esto, con lo que la influencia aerodinámica es
mínima o nula. Además en este caso, el motor de la Ducati Panigale tiene modelos de hasta 1300 centímetros
cúbicos de cuatro cilindros, con lo que la cantidad de calor emitido al escape, y por tanto la cantidad de calor
desprendido al ambiente , sería mucho mayor que en él, en comparación, pequeño motor de la Honda CBR 250R.
Eso haría que el efecto en el gasto másico en la Ducati sí que sea importante y además sea viable porque el
carenado fue diseñado para eso.
Además se ha desmentido, como ya lo decían las bibliografías de mecánica de competición, que aislar el escape
proporciona más potencia, ya que esto conduce a una menor facilidad de evacuación de los gases.
Como segunda conclusión, se ha probado el beneficio del megáfono, consiguiendo un gran aumento del gasto
másico con respecto a un escape sin él (mejoras de más del 200%).
Para la tercera conclusión, dejamos para futuros análisis por parte del equipo US- Racing Engineering que el
orden en el que se ha cursado el proyecto se ha considerado óptimo, porque, como se ha probado, cada fase que
se avanzaba se dependía menos de las demás variables, de forma que no ha hecho falta volver al principio del
proyecto en casi ningún momento. Un ejemplo de esto era la poca influencia de la convección en los valores de
la resonancia o también la poca influencia en el gasto másico que tuvo el aumento de la longitud del megáfono.
De haber sido el fin de la entrega del proyecto posterior a la fabricación y prueba del escape se podría haber
comprobado la realidad de los resultados y sacar conclusiones.
3.2 Mejoras posibles
Durante el desarrollo del proyecto, se han visto muchas causas de perdida de precisión y de realidad del proyecto
que debería haberse estudiado en más profundidad si este proyecto hubiera sido un proyecto de mayor
envergadura, como podría ser una Tesis. A continuación se proponen distintas formas de conseguir una mayor
exactitud en los resultados obtenidos y también de probar que estos son reales:
35- Obtener experimentalmente las propiedades del gas, para el rango de temperatura que se trabaja en el
problema desarrollado en el proyecto, como son viscosidad, calor específico, densidad, etc.
- Obtener unas condiciones de contorno exactas, midiendo, por ejemplo, las temperaturas y presiones a la
salida del cilindro. Estas no serán las mismas que existirán en la realidad ya que estas pruebas se harían
con los elementos que lleva el motor de fábrica. Aunque estas condiciones cambiarán, estarían mucho
más cercas de las obtenidas de bibliografías, en las que daban valores orientativos. Este proceso podría
ser idealmente iterativo, usando las condiciones de contorno medidas de los últimos elementos fabricados
hasta que dejen de cambiar lo suficiente.
- Modelar la variación de presiones durante la apertura y cierre de la válvula de escape, como una presión
variable con el tiempo en vez de una presión media del ciclo.
- Modelar también en el análisis el silencioso, una vez se haya fabricado, ya que como va a ser de
fabricación artesanal aún no se sabía las características del mismo.
- Hacer una mejor aproximación de la transferencia de calor en el escape.
- Contemplar el efecto Venturi que tiene el aire en movimiento (por la velocidad de la motocicleta) en la
salida del escape y ver si este ayuda a maximizar algo más el gasto másico.
- Medir el acierto de los resultados obtenidos, en concreto en banco de potencia, como se hace en la figura
siguiente, y con mediciones de presión instantánea en la salida del escape para comprobar que la
resonancia se ha dado efectivamente cuando se ha diseñado, y en caso contrario modificar las
dimensiones para conseguir el efecto deseado. En la figura 22, se ha muestra una gráfica que muestra
esta medición instantánea de presiones mencionada anteriormente, siendo la línea roja las presiones
instantáneas en la válvula de escape frente a la posición del cigüeñal.
Figura 21: Prueba de banco de potencia de una Yamaha YZF R6
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