Calor al ralentí y mezcla

[Emecé]

Si la mezcla es pobre el motor se calienta en exceso. Lo hemos oído todos en muchos sitios, algunos lo hemos dado como bueno y hasta lo hemos repetido.

Sin embargo no todos dicen eso. Aun más, los que verdaderamente saben y han estudiado el problema no dicen eso. Dicen en cambio que la mezcla estequiométrica, ni rica ni pobre, sino justa (y que traen de serie las modernas Harleys), es la que más calienta el motor. Y que si le mezcla se enriquece o se empobrece entonces el motor se calienta menos.

Y lo dijeron hace ya mucho tiempo. Por ejemplo en [PBC50], un artículo de hace más de 60 años, se encuentra uno con esta gráfica:

que muestra la evolución de la temperatura media en la culata de un motor en función de la mezcla. En este caso los autores emplean la relación combustible/aire, en vez de la más usual actualmente aire/combustible (AFR). En la gráfica he marcado con una línea roja el valor de la relación combustible/aire para mezcla estequiométrica (aproximadamende 0.067). Las mezclas ricas presentan valores mayores (están a la derecha de la línea roja) y las mezclas pobres valores menores (estando a la izquierda de la línea roja). Está claro, estos autores han medido temperaturas menores en la culata tanto cuando la mezcla es rica como cuando es pobre.

Y también han medido que la cantidad de calor que se entrega al líquido refrigerante es máxima con mezcla estequiométrica y menor con mezcla rica y pobre.

Y que la temperatura de los gases en la cámara de combustión evoluciona igual: máxima para mezcla estequiométrica (o cerca) y menor para mezcla rica y pobre.

Pero estos autores han trabajado con motores de aviación, de 2000 hp, 27 litros de cilindrada, 4 válvulas por cilindro, con compresor de dos etapas y refrigeración líquida, algo no muy parecido a un motor Harley.

Aun así en otros trabajos con motores algo más similares al de una Harley se ve lo mismo, por ejemplo en [AM82] el motor es un V8 de 6.5 litros, atmosférico y con dos válvulas por cilindro, aunque sigue siendo de refrigeración líquida. La cilindrada de cada cilindro individual es de 49.5 pulgadas cúbicas, muy similar por tanto a las de un motor TC96. Además es un artículo algo más reciente, del 1982. En ese motor han medido esto:

Cómo en vez de gasolina han empleado propano la relación aire/combustible para mezcla estequiométrica no es la usual de 14.7 sino algo mayor. En la gráfica aparece marcado. Las mezclas ricas están ahora a la izquierda de la línea roja y las pobres a la derecha. Sigue apareciendo que el calor cedido al exterior es mayor con mezcla estequiométrica y menor para mezcla rica y pobre.

 

[Emecé]

Y otro más [PMB45]. En este caso motor de un solo cilindro, dos válvulas, atmosférico, refrigeración líquida y de 103 pulgadas cúbicas, por tanto el doble de grande que el de un TC (es la línea contínua, las líneas discontínuas son para motores enormes de un sólo cilindro y 30 y 45 litros de cilindrada).

Se muestra la temperatura de los gases en la culata (head) y en las paredes del cilindro (barrel). De nuevo lo mismo, la temperatura es máxima con mezcla estequiométrica y tanto para mezcla rica como pobre la temperatura es menor.

Cómo último ejemplo para esta parte introductoria he dejado a [ZS45]. Estos autores han medido en detalle la temperatura en la válvula de escape de un motor para diferentes mezclas y para diferentes tipos de válvulas. El motor es de un solo cilindro, dos válvulas, atmosférico, refrigerado por aire y con 206 pulgadas cúbicas de desplazamiento. Tiene cuatro veces el desplazamiento de un cilindro de un TC, pero es similar en cuanto a diseño y, sobre todo, refrigeración. Han empleado válvulas de diferentes tipos (grosor del vástago, material de los asientos,...) en unos casos son válvulas con refrigeración por sodio (las que en la gráfica aparecen marcadas como A, B y C) y otra válvula sin refrigeración por sodio (la B' en la gráfica) que es en la que me fijo porque es la más similar a una valvula "normal" de Harley, que no llevan refrigeración. Las medidas son estas:

Todo lo que está en color lo he añadido yo. El caso es que se ve lo mismo. La temperatura en la válvula (curva B') y la temperatura de los gases en la cámara de combustión (la curva de arriba del todo) son máximas con mezcla estequiométrica. Si la mezcla es rica o pobre las temperaturas de los gases y de la válvula descienden.

En la gráfica he marcado en verde la zona de mezclas (es la zona de AFR entre 14.34 y 14.85) que el sistema de inyección de las Harleys permite usar cuando se trabaja en lazo cerrado (haciendo uso de las sondas de O2). Está clarísimo, si la moto está trabajando en lazo cerrado el motor está generando la temperatura máxima. El problema está en que la inyección de Harley trabaja en esas condiciones para RPM menores a 2500 y carga (o "gas" o "puño", para entendernos) inferior al 65 % del máximo. Es decir, en ciudad casi siempre trabaja en esas condiciones. Sólo cuando sales a carretera y circulas a más de 2500 RPM o retuerces la oreja para adelantar o subir una pendiente consigues sacar a la inyección del modo en lazo cerrado y entonces la mezcla se enriquece. De manera que, como todo el mundo sabe, una Harley moderna en ciudad y en verano es insufrible.

La elección de ese modo de trabajo en lazo cerrado para la moto no es, obviamente, un capricho. La moto tiene que contaminar poco, por eso lleva un catalizador y para que un catalizador funcione necesita que la mezcla sea estequiométrica. Si no es así la moto contamina mucho más de lo debido. Y no pasa sólo con las Harleys, pasa con cualquier coche o moto moderno. El problema de la Harley es que con refrigeración por aire y dos perolos gigantes entre las piernas el harlero se come todo el calor. Si la refrigeración es líquida, el motor más pequeño, etc. se puede conseguir que el motero no se coma todo el calor. Pero ya lo dijo Beau Brummell: lo bello es incómodo.

En la gráfica he marcado además una línea en rosa (la que pone "Carburador 12.25") que indica un valor típico de mezcla para un motor carburado. Se ve que en una Harley carburada, al trabajar normalmente con mezcla rica y no estequiométrica, las temperaturas son menores que en una Harley inyectada y, sobre todo, catalizada, que trabaja con mezcla estequiométrica. De modo que el calor que hechan las Harleys inyectadas frente a las carburadas puede deberse perfectamente a este efecto.

Nótese también que en una Harley carburada (AFR = 12.25) si la mezcla se empobrece (y pasas, por ejemplo, a AFR = 13.5) el calor aumenta. Sin duda esto a dado pie a la creencia de que "la mezcla pobre sobrecalienta". Pero eso, según estas gráficas, no es completamente cierto. No es que la "mezcla pobre" sobrecaliente, es que la mezcla "menos rica" (AFR = 13.5) calienta más que la "más rica" (AFR = 12.25). De hecho una mezcla pobre (pobre de verdad, con AFR > 14.7) con una AFR = 16.5, según estas gráficas, calienta lo mismo o menos que una mezcla rica con AFR = 12.25.

En [Tay85a, pág. 295] ya apuntaban esto (que obviamente no se me ha ocurrido a mi):

The notion that engines overheat with lean mixtures is probably derived from the fact that the carburetors of many gasoline engines are set to give F_R about 1.2 [AFR ≈ 12.25]. [...] if the carburetor is adjusted to give F_R ≈ 1.0 [AFR ≈ 14.6] and the same power is developed overheating may result.
​

El caso es que cuando se pretende que el motor se caliente menos puede forzarse una mezcla rica. Además, la mezcla ligeramente rica genera un par y una potencia algo mayores que la mezcla estequiométrica, como se ve aquí [ET63]:

que presenta la presión media efectiva (mep, Mean Effective Pressure) en función de la presión de admisión P1 (o MAP, Manifold Absolute Pressure) y de la mezcla (esta gráfica no es una medida, es un cálculo termodinámico sobre un motor "ideal"). Esta variable mep da idea del par y la potencia que el motor puede generar, a mayor mep mayores potencia y par. Para una relación de compresión de 8, la más similar a la de un motor TC, y para presiones de admisión entre 50 y 100 kPa parece que el valor óptimo de AFR está alrededor de 13.2, como he marcado en la gráfica. Los mapas de inyección de serie de los motores TC de Harley fijan esa AFR alrededor de las 4500 RPM y para el 75-80 % de carga. Para más RPM y más carga enriquecen aun más la mezcla (hasta AFR = 12.5, F = 1.175), supongo que para ayudar a enfriar.

La misma gráfica sirve para darse cuenta de que empobrecer la mezcla más allá de AFR = 14.7 con el fin de refrigerar no es una idea muy buena porque con las mezclas pobres el par y la potencia disminuyen. En la misma gráfica he marcado el punto correspondiente a la misma relación de compresión y AFR = 16.5. Se ve que la mep, y con ella par y potencia, se decrementan del orden de un 9%. Una pena, porque de todas las gráficas anteriores se ve que empobrecer la mezcla disminuye la temperatura más rápidamente que enriquecerla.

​

 

[Emecé]

Sin embargo a ralentí eso no parece un problema. Podría pensarse en hacer que la mezcla sea pobre sólo al ralentí de modo que el motor se calentase menos aun que con mezcla rica. El motor tendría menos fuerza a ralentí por ser la mezcla pobre, pero el sistema de control del ralentí ya se encargaría de abrir más la válvula IAC (Idle Air Control) o la mariposa (en las de acelerador electrónico, que no tienen válvula IAC) para mantener el ralentí a su valor normal. Esto daría lugar a un aumento medible de la presión de admisión que compensaría la pérdida de fuerza del motor manteniendo el ralentí constante, pero globalmente se disminuiría la temperatura al ralentí al trabajar con mezcla pobre.

Así que hice la prueba. Modifiqué el mapa de AFR que llevaba en la moto de esto (ralentí rico):

a esto otro (ralentí pobre, que yo sepa ningún mapa de SEST/TTS permite hacer esto, se trata en este caso de un mapa del TTS "trucado" que tengo y que deja hacerse estas cosas):

y después comparé los datos de la telemetría para ver la evolución de la temperatura al ralentí. Hice la prueba con tres valores diferentes de AFR (los 13.1 y 16.8 de antes y además mezcla estequiométrica) haciendo el mismo recorrido con la moto y a temperaturas ambientes lo más similares posible, estudiando como evolucionaba la temperatura del motor durante 5 minutos al ralentí partiendo de una temperatura inicial del motor de 115 ºC. El resultado fue este:

Tras cinco minutos a ralentí, partiendo de 115 ºC, la temperatura del motor se ha incrementado en:

• 22 ºC con mezcla estequiométrica;
• 20 ºC con mezcla rica (AFR = 13.1);
• 11 ºC con mezcla pobre (AFR = 16.8).

Sorprende un poco la escasa diferencia entre el caso con mezcla estequiométrica y mezcla rica, pero hay que decir que la temperatura ambiente el día de la mezcla estequiométrica era 2 ó 3 grados menor que los otros 2 días, lo que sin duda ayudó a que la temperatura se incrementase más lentamente con la mezcla estequiométrica.

En cualquier caso parece evidente que, efectivamente, el motor al ralentí se calienta menos con la mezcla pobre.

En la misma gráfica se ve que, efectivamente, la presión de admisión aumenta con la mezcla pobre puesto que se necesita más presión para compensar la "poca fuerza" de la mezcla y mantener el ralentí a las mismas RPM.

Se ve también que la gasolina inyectada es menor con la mezcla pobre, como parece razonable. Concretamente se inyecta un 11.3 % menos de gasolina con la mezcla pobre que con la rica.

Y también se ve (y no sólo se ve, se oía perfectamente) que el ralentí es más irregular con mezcla pobre. Hice pruebas con mezcla aun más pobre (AFR = 17.3) y era aun más patente. De hecho se me encendió la lucecita de diagnóstico del motor y cuando saqué los códigos me dijo que no había podido mantener el ralentí constante, pero ningún otro (ni siquiera de misfire).

Al final he dejado la moto con la mezcla pobre a AFR = 16.8 hasta que me toque el próximo cambio de aceite (500 km me faltan) y ya veré que va pasando. Cuando haga el cambio de aceite le meteré un endoscopio por el agujero de la bujía a ver si veo algo raro en los cilindros, los pistones o donde sea. Y si todo va bien esperaré al verano a ver que tal se comporta con mucho calor.

Finalmente, la manera de empobrecer la mezcla cuando se tiene un mapa "sin trucar" consiste en programar una AFR que saque a la inyección del lazo cerrado (léase AFR = 14.5) y modificar a la baja los valores correspondientes de VE para ambos cilindros de forma inversamente proporcional a la AFR que se quiera programar. Por ejemplo, si se quiere programar una AFR = 16.8 y los valores de VE son 65 % al ralentí, lo que haces es poner AFR = 14.5 al ralentí y los valores de VE a ralentí los cambias a 65·14.5/16.8 = 56 %.

Y lo de siempre, esto yo lo he hecho en mi moto y parece que funciona y seguiré comprobando si pasa algo raro, pero si lo haces en tu moto y a consecuencia de eso te explota o te quedas impotente y calvo, yo no quiero saber nada.

 

[Emecé]

Referencias:

[ZS45] Zipkin, M. A.; Sanders, J. C. "Correlation of Exhaust-Valve Temperatures with Engine Operating Conditions". National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) Technical Report 813. 1945.

[PMB45] Pinkel, B.; Manganiello, E. J.; Bernardo, E. "Heat Transfer Process in Liquid-Cooled Engine Cylinders". National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) Technical Report 853. 1945.

[PBC50] Povolny, J. H.; Bogdan, L. J.; Chelko, L. "Cylinder-head Temperatures and Coolant Heat Rejection of a Multi-Cylinder Liquid-Cooled Engine of 1650-Cubic Inch Displacement". National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) Technical Note 2069. 1950.

[ET63] Edson, M.; Taylor, C. "The Limits of Engine Performance — Comparison of Actual and Theoretical Cycles". Society of Automotive Engineers (SAE) Technical Paper 630077. 1963.

[AM82] Alkidas, A. C.; Myers, J. P. "Transient Heat Flux Measurement in the Combustion Chamber of a Spark Ignition Engine". Transactions of the American Society of Mechanical Engineers (ASME), Journal of Heat Transfer. Vol. 104, pp. 62-67. 1982.

[Tay85a] Taylor, C. F. "The Internal Combustion Engine in Theory and Practice: Thermodynamics, Fluid Flow, Performance". USA, The Massachusetts Institute of Technology (MIT) Press. 1985.

[Tay85b] Taylor, C. F. "The Internal Combustion Engine in Theory and Practice: Combustion, Fuels, Materials, Design". USA, The Massachusetts Institute of Technology (MIT) Press. 1985.

 

[Brasuca]

Muy interesante artículo, que pena que mis conocimientos sean tan limitados, pero estaré atento a nuevas aportaciones sobre el tema, así me pongo las pilas. Gracias!!!

 

[raf]

Siempre esta caliente.

raf

 

[kero]

Como siempre muchas gracias emecé por hablar de estos temas. ¿sera la mezcla justa la mas calurosa para eliminar mejor los gases contaminantes y pasar así las normas euro?

 

[Visensin]

Es posible que los fabricantes no siempre ajusten la inyeccion a la estequiometrica, incluso debido a la propia refrigeracion de las maquinas. Igual no es muy conveniente que los cilindros vayan siempre calientes como una fragua y ademas aunque la mezcla estequiometrica es la que da mas eficiencia en el motor tampoco significa que sea la mas conveniente. Por ejemplo los aviones en despegue siempre se les ajusta la mezcla todo lo rica que se pueda y se conectan las bombas auxiliares de combustible. Pierdes algo de eficiencia, si, pero te garantizas que no te faltará aporte de combustible en una fase critica del vuelo en la que el motor esta dando todo lo que puede.

 

[gnomin]

Emecé, como siempre sacas temas interesantes. :feliz: :feliz:

A ver si tienes tiempo y aportas mas datos.
Ultimamente la tecnología Lean Burn con lambda hasta 1,7 empieza a extenderse en aplicaciones de ciclo Otto de motores estacionarios, sobre todo con gas natural. Y han resuelto el mayor problema provocado por la detencion de la llama.

:triste2: No he conseguido datos de como afecta el "misfire" al la tª de la cabeza del pistón. Creo que debe ser la causa de la incongruencia de que baje la tª en las paredes de los cilindros y la culata (por el efecto extintor de estas superficies más frías con mezcla muy pobre) y por otro lado la cabeza del pistón se funda.

 

[patata]

Emecé, ahora que veo este hilo tuyo, aparte de marearme con tanta gráfica, he de decir que yo en mi moto, hasta ahora he usado dos mapas, ninguno de los dos es específico para mi configuración pero ambos se ajustan debido a la similitud con de los filtros y escapes que llevo que son bastante raros ya que para mi PCV no existe mapa para estos, la cosa es que de ambos mapas hay uno que le mete mucha más gasolina que el otro, siempre he llevado puesto el que le mete mas y ahora llevo unos meses con el que le mete menos (sobretodo en bajas), no me había fijado en esto que voy a comentar, pero al ver tu hilo me estoy dando cuenta de que ahora (no había prestado atención a esto antes) la moto efectivamente se calienta menos, hablo de sensaciones así que no podría especificar cuantos grados menos, pero me da la sensación de que ahora la moto se calienta mucho menos :lengua_fuera:

 

[gnomin]

Se ha duplicado. perdon:timido:

 

[Lucho]

Contigo siempre aprende uno algo.

Da gusto leer algo interesante de vez en cuando en algún post...:complice:, gracias por compartirlo

 

[gnomin]

Emecé, ahora que veo este hilo tuyo, aparte de marearme con tanta gráfica, he de decir que yo en mi moto, hasta ahora he usado dos mapas, ninguno de los dos es específico para mi configuración pero ambos se ajustan debido a la similitud con de los filtros y escapes que llevo que son bastante raros ya que para mi PCV no existe mapa para estos, la cosa es que de ambos mapas hay uno que le mete mucha más gasolina que el otro, siempre he llevado puesto el que le mete mas y ahora llevo unos meses con el que le mete menos (sobretodo en bajas), no me había fijado en esto que voy a comentar, pero al ver tu hilo me estoy dando cuenta de que ahora (no había prestado atención a esto antes) la moto efectivamente se calienta menos, hablo de sensaciones así que no podría especificar cuantos grados menos, pero me da la sensación de que ahora la moto se calienta mucho menos :lengua_fuera:

Osea, justo al revés de lo que dice Emece. Imagino que el mapa mas "seco" estará próximo o en margen de lambda 1.

 

[patata]

Osea, justo al revés de lo que dice Emece. Imagino que el mapa mas "seco" estará próximo o en margen de lambda 1.

He entendido que los estudios decían que estar por encima o por debajo de la mezcla estequiométrica bajaba la temperatura, o al menos es lo que he entendido yo. creo que mis dos mapas por lo que dice el post están uno por encima y el otro por debajo, tendría que poderlos ajustar pero a mi me sacas de sumar y restar y me pierdo :complice:

 

[gnomin]

He entendido que los estudios decían que estar por encima o por debajo de la mezcla estequiométrica bajaba la temperatura, o al menos es lo que he entendido yo. creo que mis dos mapas por lo que dice el post están uno por encima y el otro por debajo, tendría que poderlos ajustar pero a mi me sacas de sumar y restar y me pierdo :complice:

Te aseguro que por encima no. :complice:

Tendrás uno con parametros de AFR entre 12-13,5 y el otro cerca o en 14,6.

 

[ansiasjarli]

yo flipo con vosotros,mareo me he quedado

 

[Emecé]

He puesto otro fascículo.

 

[patata]

Muy interesantes tus aportaciones Emecé, como siempre, da que pensar en el tema de ajustar un motor a mezcla estequiométrica o divagar en más o en menos según que resultados de prestaciones deseemos, lo malo es no disponer de toda la información necesaria del motor de uno para liarse con los ajustes y aún teniéndolos habría que hacer muchos cálculos y eso no se me da nada bien.

 

[Emecé]

Por ejemplo los aviones en despegue siempre se les ajusta la mezcla todo lo rica que se pueda y se conectan las bombas auxiliares de combustible. Pierdes algo de eficiencia, si, pero te garantizas que no te faltará aporte de combustible en una fase critica del vuelo en la que el motor esta dando todo lo que puede.

Supongo además que si el motor dispone de compresor, al aumentar tanto la riqueza de la mezcla, se aumentará también la presión de admisión ¿es así?

Aquí se ve [Tay85b] que haciendo eso se puede incrementar fuertementa la potencia disponible (aquí un 60%), cosa que imagino debe ser interesante al despegar.

 

[Visensin]

Efectivamente Emece puedes incrementar y mucho la presión de admisión, teniendo en cuenta que hay limites de sobrepresion (overboost).... Puedes meter tanta presión que te salten las culatas!!!