![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image002.png")
Design and cfd analysis of the gas flow of a header in a 200 cc engine
Javier
Renato Moyano Arévalo [1=
], Eugenia Mercedes Naranjo Vargas [2=
], Alex Giovanny Tenicota García[3], Áng=
el Daniel
Larrea Moreano [4]
Recibido: 18-04-2019 / Revisado: 04-05-2019 /Acepta=
do:
19-06-2019/ Publicado: 05-07-2019
Abstract. =
DOI: https://doi.org/10.33262/cienciadigital.v3i=
xxxxx
The exhaust system of an engine fulfills the funct=
ion
of evacuating the gases produced in combustion and reduces engine noise,
however several systems do not have accessories that guarantee these functi=
ons.
The HEADERS are accessories that improve the performance of the engine in t=
he
exhaust cycle but studies on this are limited and limited. In this sense, t=
he
present research aims at the design and analysis through computer-aided
software of CAD type with CFD Computational Fluid Dynamics tools to establi=
sh
the most appropriate design and best performance of a motorcycle engine of =
200
cubic centimeters. As the headers are used as fast evacuators of exhaust ga=
ses,
the analysis focused on the study of the rapidity with which gases flow in =
two
cases of study. Both cases were of 2-inch diameter pipe at an average speed=
of
10 m/s, but the case A with regular curvature of 180 ° and case B of prolon=
ged
curvature was the difference. The development of the analysis resulted in t=
he
design "B" as the most appropriate to be manufactured since the s=
peed
of the gases increased by 12%. This makes it possible to know that when rap=
id
evacuation of the gases occurs, valve backpressures are avoided, thus obtai=
ning
a better performance of the engine.
Resumen.
El sistema de escape de un motor cumple la función de eva=
cuar
los gases producidos en la
combustión y reduce el ruido del motor, sin embargo varios sistemas no disp=
onen
de accesorios que garanticen dichas funciones. Los HEADERS son accesorios que mejoran el desempeño del moto=
r en
el ciclo de escape pero los estudios al respecto son reducidos y se
limitados. En ese sentido la presente
investigación tiene por objeto el diseño y análisis mediante software asist=
ido
por computador de tipo CAD con herramientas de Dinámica de Fluidos
Computacional CFD para establecer =
el
diseño más apropiado y mejor desemp=
eño de
un motor de motocicleta de 200 centimetros cúbicos.
Palabras clave: diseño,
motor, sistema de escape, motocicleta
Introducción
Los
vehiculos motorizados son máquinas de gran invención, mismos refieren como
sistema de mayor importancia para su funcionamiento al motor de combustion
interna. La transportación de objetos y personas de un luga=
r a
otro se ha convertido en un aporte para mi=
nimizar el esfuerzo y recursos. El motor de combustión interna funciona a través de la explosión de
una mezcla que se compone de aire y gasolina para el caso de
motocicletas la energía producida <=
span
style=3D'mso-no-proof:yes'>es utilizada para el desplazamiento. “En un motor el movimiento se encuentra
restringido y acoge en su interior al o los pistones, los cuales se desplaz=
an
lineal y alternativamente entre el punto muerto superior (PMS) y el punto
muerto inferior (PMI) siendo una carrera” (Santander, 2010),
de ese modo al combustionar los gases, estos se evacúa por los conductos al
completar el ciclo y se apertura la
válvula de escape, tal y como se explica en la
figura 1. Sin embargo, el
funcionamiento del motor de combustión interna se desarrolla en los ciclos =
de
admisión, compresión, explosión y escape; necesarios para la producción de
energía útil para el desplazamiento, e inherente en el rendimiento y desemp=
eño
del motor.
Figura 1. Pistón y
cilindro de motor combustión interna a gasolina
![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image004.jpg")
![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image006.jpg")
Los
colectores de escape conocidos tambien como HEADERS,
fungen el papel de un múltiple de escape, mismos que se instalan en los vehiculos con la finalidad de aumentar la potencia de=
los
motores junto a la eficiencia volumétrica con menor contrapresión ta=
l y
como lo afirman estudios especializados en mecánica automotriz (Crouse, 2007)(Gillieri, 2013). A pesar que =
son
importantes para la eficiencia del motor, “los
colectores tradicionales de escape son un poco restrictivos debido a que
generan una contrapresión en el motor, lo que es contraproducente para que =
se
produzca una reducción en la potencia y aumente el consumo de combustible” (Respuestos, 2016).
“Los colectores o HEADERS pueden ser varios según la poten=
cia
del motor, mismos que toman el nombre de múltiple de escape, y se en=
cuentran
ubicados en la parte lateral de la culata y acoplados con bridas p=
ara
dirigir los gases atravez de un sistema de
tuberías desde el motor hasta el ambiente” (Beau, 2017).
Los HEADERS deben estar diseñados para soportar elevadas temperaturas de los gases=
de
combustión y fabricados de acero
inoxidable o de tubo de hierro con menor rozamiento de los gases a l=
as
paredes de la tubería. Sin embargo no solo=
el
material es uno de los principales aspectos que se debe tomar en el
diseño y fabricación de dichos accesorios,
tambien “debe considerarse la
longitud de tubería y curvaturas que permitan la pronta circulación de los
gases expulsados al medio ambiente”, (Tiempo, 2019). Reducir la polución es un reto del diseñ=
o,
fabricación, operación y mantenimie=
nto de vehículos motorizados que buscan menor
impacto, pero el problema aún persiste en la sociedad.
“Habitualmente un vehículo esta compuesto por un 65% de metales de los cuales la mayoría de ellos puede<=
span
style=3D'mso-no-proof:yes'> reutilizarse mientras que otros se procesan como
nuevos componente del vehículo, como es el caso de elementos mecánicos del
motor de combustion interna (Alonso, 2004).
Sin embargo, en el Ecuador son reducidos los estudios del diseño y
comportamiento de los HEADERS, mediante simulación de materiales, variedades
geométricas y dimensiones. En el mismo sentido se observa carencias en el u=
so
de software de tipo CAD “computer-aided design” y herramientas CFD “Comp=
utational
Fluid Dynamic” para el desarrollo experimental o simulación del diseño,
fabricación y funcionamiento de los HEADERS.
Según los trabajos
especializados en el estudio de programas CAD (Chang, 2019) (PLANCHARD, 2017)(SHIH, 2018), ponderan
positivamente el uso del SolidWorks a nivel industrial, y clasifican a las
herramientas que ofrece solidwoks para simulaci=
ón en;
SW simulation, SW Flow sim=
ulation,
SW Motion simulation y SW Sustainability. En este sentido el SW Flow simulation es una herramienta computacional la cual p=
ermite
predecir el comportamiento del flujo de los fluidos en condiciones reales, =
de
modo que se estudien variables como velocidad, presión, viscosidad, diámetr=
os
de conductos, etc. Para el análisis concreto del flujo de fluido compresible
laminar o turbulento como es el caso de los gases expulsados por la combust=
ión
es importante contar con paquete de simulación primium=
para poder realizar una discretización efectiva.
El presente aporte
técnico tiene como objeto el diseño y anál=
isis
mediante software asistido por computador de tipo CAD con herramientas de Dinámica de Fluidos Computac=
ional
CFD para establecer el diseño más
apropiado y mejor desempeño para un=
caso
práctico de motor de motocicleta de=
200 centimetros cúbicos. El desarrollo d=
el
presente trabajo prevé el aporte en=
la
disminución del consumo de combustible y a=
su
vez reduce el indice de polución mediante el aumento de la velocidad=
de
salida de gases y con menores casos de contrapresión en válvulas. =
Métodos
y Materiales
La investigación se
desarrolló bajo la siguiente lógica; a) diseño de prototipos, b) simulación=
, y
c) análisis comparativo de los resultados. En ese sentido fue necesario est=
ablecer
como meta la reducción la contrapresión a base del aumento de la velocidad
salida de los gases, para ello se contó con dimensiones de HEADERS existent=
es
en el mercado para el caso estándar de una motocicleta de 200 cc, misma de =
uso
común en la región, ver figura 2.
Figura 2.
HEADER estándar de uso común en motocicletas de 200cc
![3D"https://images-na.ssl-images-amazon.com/images/I/61rtJtdaXBL._SL1436=](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image008.jpg")
a)
=
Diseño de prototipos
Luego de identificar = el o los casos estándar más importantes, fue necesario definir el programa CAD, tomando en cuenta las características que aporten a la facilidad, rapidez, y aplicabilidad. SolidWorks fue elegida por su interfaz amigable, ampliada bi= blioteca de aplicaciones y herramientas para el desarrollo de la simulación. El proc= eso de croquizado inició con la ejecución de una nueva pieza, una vez elegido se utilizó el menú de operaciones en donde la herramienta extruir sirvió para elegir el plano y desarrollar el objeto en 3D. Ya con el plano definido se efectuó el croquis con la utilización de sus herramientas para definir lo gráfico y geométrico del diseño. <= o:p>
En cuanto a los detal=
les
del diseño se tomaron en cuenta las diversas configuraciones de los múltipl=
es
de escape tales como; el 4-2-1, 4-1 y el doble.
“La configuración 4-2-1 llamada también 3Y, se caracteriza por tener=
2
pares de colectores y sus salidas se juntan en un solo conducto para dirigi=
rse
al silenciador en donde se crean 2 ondas de presión que hacen que obtenga la
máxima potencia a una gama media de revolución” (Blair, 2001). En cambio, la
configuración 4-1 necesita de un intervalo mayor de revoluciones ya que en =
sí,
se desarrolla una sola onda de presión con mayor amplitud por su diseño de
cuatro tubos primarios de colectores de concavidad y convergencia al diámet=
ro
del silenciador. “Los múltiples dobles poseen dos silenciadores, sin embarg=
o,
la potencia podría ser menor de acuerdo a la disposición de los colectores”=
(Aradhye, 2017).
Para definir los
diámetros y longitudes de los conductos del múltiple de escape se consideran
varios argumentos empíricos de especialista en diseño y preparación de
vehículos para competencia como el caso de la obra “Fo=
ur
Stroke Performance Tuning<=
/span>”
para las siguientes variables.
Tabla
1.
Ecuaciones empíricas para el diseño del primer prototipo o caso A de HEADER=
|
Dimensiones de los colectores |
Ecuaciones empíricas [21] |
|
- |
En
donde - ED (180° más los grados de apertur=
a de
la válvula de escape) - rpm (núm=
ero de
revoluciones por minuto que se requiere para sintonizar el motor)
Bajo
la condición de que |
|
-
ID (Diámetro de colector primario) |
En
donde -
CC (volumen del cilindro en centímetros cúbicos) |
|
- <=
![if !msEquation]> |
En
donde -
3 se expresa en pulgadas |
![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image010.png")
![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image012.png")
![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image014.png")
![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image016.png")
![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image018.png")
![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image020.png")
![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image022.png")
=
=
Tabla
2.
Ecuaciones empíricas para el diseño del segundo caso B de HEADER
|
Dimensiones de los colectores |
Ecuaciones empíricas [21] |
|
|
En
donde - Ge (valor en grados que en el
diagrama de distribución tiene el escape) - rpm (número de
revoluciones por minuto máxima del motor) |
|
-
|
En
donde -
Vc (volumen unitario del cilindro en cm) -
Lc (longitud del colector según) [21] |
|
- |
- Vt
(volumen total del cilindro) |
![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image024.png")
![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image026.png")
![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image028.png")
![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image030.png")
![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image032.png")
![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image034.png")
b)
=
La simulación.
Para ello fue importa=
nte definir
los lineamientos que estructuran a la simulación, tales como la definición =
del
material, desarrollo de la discretización y definición de la convergencia. =
La
tubería considerada es de acero inoxidable de 1” con una longitud promedio =
de
1metro, a la tubería se impone valores de velocidad de entrada de 10 m/s y =
una
presión de salida atmosférica de la ciudad de Riobamba de 14.7 psi, además =
se
establece que el fluido que recorrerá dentro de la tubería es ![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image036.png")
,
al realizar el mallado se obtiene una convergencia en el mallado de 1 por lo
que se asegura una correcta simulación, los valores a analizar son la veloc=
idad
de salida que obtendrá el fluido a la salida de la tubería.
Análisis
comparativo de los resultados
Para el análisis
comparativo de resultados se utilizó la estadística descriptiva de modo que=
se
compararon los valores netos de velocidad registrados e identificado la
incidencia para con el flujo del fluido
Resultados
y Discusión
Se inició con los
cálculos de las dimensiones de cada uno de los colectores de modo que en el
ejemplo de los datos base, se presentan los siguientes resultados:
Tabla
3. Resumen
de resultados de las dimensiones para el diseño de HEADERS
|
|
|
|
||
|
ED=3D 180°+48°+20°=3D248° Rpm=3D10000
cc=3D149,75 cm2 |
=
|
18,08in |
=
|
20.8 in |
|
=
|
3,08in |
=
|
1 in |
|
|
ID |
1,12in |
=
|
1 in |
|
|
Ls |
21,08in |
=
|
24, 15 in |
|
|
IDs |
1,47in |
|
|
![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image038.png")
![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image040.png")
Diseñado el croquis
completo y bien definido con las dimensiones y características geométricas
adecuadas, el programa sirvió de medio para efectuar la extrucción
debida y con ello el sólido en dimensiones requeridas, tal y como se muestr=
an
en las figuras 3, y 4.
![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image042.jpg")
![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image044.jpg")
Figura
3. Croquis y extrucción del sólido caso A, con
curvatura regular
Elaborado por: Autores
![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image046.jpg")
![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image048.jpg")
Figura 4. Croquis y <=
span
class=3DSpellE>extrucción del sólido caso B, con curvatura prolongad=
a. Elaborado
por: Autores
Para el desarrollo de la simulaci=
on
fue necesario definir la discretización, el material en el cual se va a
constuir cada uno de los prototipos y la convergencia necesaria, de modo qu=
e se
pudo simular el flujo del fluidio de la siguiente manera:
Figura
5. Simulación del
caso A mostrando una velocidad de expulsiónde g=
ases a
10m/s.
![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image050.jpg")
Elaborado
por: Autores
Al
observar la simulación se determina que con la velocidad de los gases de
expulsión igual a 10 m/s,
el Header A, obtiene una velocidad máxima de 11 m/s =
esto
es por el cambio de dirección de la tubería haciendo que los gases circulen=
a
una mayor velocidad.
Figura 6.<=
/b> Simulación del caso B
mostrando una velocidad de expulsión de gases a 10m/s.
![](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image052.jpg")
Elaborado por: Autores
Se
determina que con la velocidad de los gases de escape igual a 10 m/s, el
El resumen de los resultados
registrados y medidos de la simulación bajo condiciones establecidas se
evidencia que el prototipo B posee una velocidad mayor de salida en compara=
ción
al prototipo A. El aumento en el rendimiento de expulsión de gases de escap=
e es
de el 8 % del prototipo B.
Conclusiones
· =
La velocida=
d de
los gases de escape se ve influenciado por la geometría y tubería que posea=
el
colector de gases de escape
· =
Al diseñar =
un
colector de escape se debe realizar con curvaturas suaves y prolongadas con=
la
finalidad de reducir la fricción del fluido contra las paredes de la tuberí=
a y
así aumentar la velocidad de salida de los gases de escape
· =
Al dejar la
salida de los gases sin la interrupción del catalizador se obtiene un mejor
desempeño y aprovechamiento del vehículo, pero la contaminación ambiental
aumentará
Referencias
bibliográficas.
=
Alonso,
J. (2004). Tecnologías avanzadas del automóvil (4th ed.).
=
Aradhye, O. (2017). Continuously
varying exhaust pipe length and diameter to improve the performance of a
naturally aspirated SI engine. International Mechanical Engineering Cong=
ress
and Exposition. American Society of Mechanical Engineers, 2017,
(V006T08A054-V006T08A054.).
=
Beau, K. (2017). Puro motores.
Retrieved from https://www.puromotores.com/13147437/las-partes-de-un-sistem=
a-de-escape
=
Blair, G. (2001). Exhaust tuni=
ng
on a four-stroke engine; experimentation and simulation. SAE Technical
Paper.
=
Chang, K.-H. (2019). Motion
Simulation and Mechanism Design with SOLIDWORKS Motion 2019SD (D. . Publicaciones,
Ed.).
=
Crouse,
W. (2007). Mecánica del automóvil (S. A. MARCOMBO, Ed.). Barcelona,
España.
=
Gillieri,
S. (2013). REPARACION DE MOTORES DE SERIE PARA COMPETICIÓN (CEAC).
=
PLANCHARD,
D. (2017). SOLIDWORKS 2017.
=
Respuestos,
T. y. (2016). Talleres y repuestos. Retrieved from
https://talleresyrepuestos.com/documentacion-tecnica/sistema-de-escape-y-ca=
talizadores/61-que-son-los-headers
=
Santander,
J. (2010). No Title. Bogotá: DISELI EDITORES.
=
SHIH, R. (2018). Parametric
Modeling with SOLIDWORKS 2018. Sdc Publications.
=
Srinivasan, P. (2007). Automot=
ive
Mechanics (Segunda).
=
Tiempo, E. (2019). Motor. Retriev=
ed
from
https://www.motor.com.co/actualidad/industria/jueves-mecanica-revision-sist=
ema-escape/26309
=
Vargas,
I. (2017). Centro De Apoyo Mecanizado a Cultivos Agrícolas.
(Bloomington, Ed.).
PARA
CITAR EL ARTÍCULO INDEXADO.
Ordoñez Viñan, M., Arcos Logroño, J., Ib= añez Moreno, W., & Cazar Rivera, S. (2019). Caracterización del Mortero Compuesto con Fibras de Cabuya Obtenidas en la Ciudad de Riobamba. Cienc= ia Digital, 3(2.6), 274-289. https://doi.org= /10.33262/cienciadigital.v3i2.6.564
![3Deditorial1.png](3D"616-Textodelarticulo-2722-1-2-20190705_archivos/image054.jpg")
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sta
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que
ser autorizado por el director de la Revista
Ciencia Digital.
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