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Ampliación de la tobera del carburador de una motocicleta Quiñones Soria Adriana Nicol Oruro Universidad Técnica de Oruro [email protected]

Resumen- El siguiente articulo nace ante las posibles supuestas modificaciones que se le pueden realizar a la tobera de admisión del carburador de una motocicleta. Con ayuda del fundamento teórico de l sistema de alimentación de la moto, y a su vez de los elementos que la componen, como el carburador y la tobera de admisión, acompañado de una verificación de cálculos básico de flujo compresible, se puede llegar a desmentir que este planteamiento no es factible, y llega hacer incluso un riesgo para la moto. Es necesario tener esta información a la mano si es que se pretende hacer una modificación por uno mismo, de lo contrario se debe acudirse a un experto en la materia. Palabras Clave. - Carburador, Tobera, Diámetro

I. INTRODUCCIÓN En los últimos años, el ciberespacio ha llegado con más facilidad a cada uno de lo hogares, si bien se ha convertido en una herramienta para el autoaprendizaje en distintos rubros no todas las fuentes de información son de confiabilidad, el ámbito automotriz no ha sido excepción, y las redes se han llenado de tutoriales de como reparar, mejorar desde cosas sencillas hasta bicicletas, autos, motos, etc., se realiza una manipulación completa del mecanismo o se ataca de forma individual los distintos elementos mecánicos que los conforman. En este artículo, hablaremos específicamente de la manipulación del diámetro del carburador de una motocicleta con fines de mejorar el rendimiento, con conceptos básicos del funcionamiento de toberas y sus respectivas ecuaciones es que se demostrará que tan beneficioso puede llegar a ser el cambio de la geometría, propiamente dicho, el diámetro. Al no contar con un modelo base, se optó por elegir un modelo de motocicleta al azar y realizar el respectivo estudio . II. DESARROLLO DEL TEMA. Para un mejor entendimiento en la materia de estudio, se desarrollarán a continuación algunos conceptos básicos. A. CARBURADOR. El carburador es el dispositivo que se encarga de preparar la mezcla de aire-combustible en los motores de gasolina. A fin de que el motor funcione más económicamente y obtenga la mayor potencia de salida, es importante que la gasolina esté mezclada con el aire en las proporciones óptimas. Estas proporciones, denominadas factor lambda, son de 14,7 partes

de aire en peso, por cada parte de gasolina; es lo que se llama mezcla estequiométrica. Pero en ocasiones se necesitan otras dosificaciones, lo que se llama mezcla rica (factor lambda menor de 1) o bien mezcla pobre, es decir factor lambda mayor de 1, en volumen corresponden unos 10 000 litros de aire por cada litro de gasolina. B. PRINCIPIO DE CARBURADOR.

FUNCIONAMIENTO

DEL

Inicialmente se utiliza la aspiración del motor para pulverizar o atomizar la gasolina con la corriente de aire, y así penetrar en el motor en el tiempo de admisión. Este principio básico llamado Venturi, afirma que, si una corriente de fluido pasa por un estrechamiento, se produce entonces un aumento en la rapidez del fluido y una disminución de la presión que ejerce sobre las paredes del estrechamiento. Como consecuencia de este vacío, la presión atmosférica exterior actúa sobre el combustible de la cuba o vaso del flotador que empuja el líquido a través del surtidor. El combustible es rociado en el aire en rápido flujo, con el que se une para constituir la mezcla de aire y combustible que el motor necesita para funcionar. C. CARBURADOR EN LA MOTOCICLETA Los carburadores de las motocicletas están equipados con Venturi variable. En este caso se dispone en el cuerpo del carburador de una válvula corredera o “cortina”, que, deslizando de arriba hacia abajo, obtura y deja libre el conducto de admisión. A su vez la cortina incorpora la aguja que sube y baja con la cortina deslizando por la boquilla o chimenea. Esta boquilla tiene roscado en su extremo inferior el surtidor principal o chiqler de alta que es un paso finísimamente calibrado. El conjunto formado por la boquilla y el chicler roscado en su parte inferior esta siempre sumergido en gasolina dentro de la cuba o vaso del carburador. Este vaso está dotado de un sistema que le proporciona un cierto nivel preestablecido de combustible (mecanismo de nivel constante), para esto se utiliza una válvula de aguja o punzón que abre y cierra el paso de combustible al interior del vaso con la ayuda de un flotador que manda sobre dicha válvula. Cuando el nivel sube lo suficiente, el flotador lógicamente también sube y empuja el punzón y la hace cerrar, el consumo de combustible hará bajar de nuevo el nivel y el flotador

también bajará, con lo que volverá a entrar gasolina por el conducto donde descansa el punzón hasta reponer de nuevo el nivel. Este flotador o boya como también se le denomina viene de varias formas; una forma es el del sistema de flotador basculante que articula un brazo, que al subir y bajar mueve el punzón; es el más usado actualmente, pero no es el único. Existen también carburadores donde el flotador incorpora un eje y este, a su vez, va guiado dentro del vaso. Otras veces, el eje es parte del vaso y el flotador va guiado por dicho eje. En cualquier caso, el fundamento físico es el mismo y así el resultado. Para que la gasolina llegue a la entrada del vaso son normales dos métodos: - Cuando el depósito o tanque de gasolina se halla ubicado por encima del carburador, entonces, el combustible llegara al carburador por acción de la gravedad. - Cuando el depósito está más bajo, se usa una bomba que habitualmente es eléctrica o de vacío. El sistema de funcionamiento de la cortina que hace variar el difusor o Venturi cuando sube y baja da el nombre a estos carburadores. Si se parte de la posición de abierto, el conducto de admisión es, en si mismo, un estrechamiento que hace que el flujo de aire aspirado se acelere y provoque una caída de presión. Si baja la cortina para cortar gases, el paso de flujo disminuye, y esto hace que el régimen del motor disminuya. A la vez se produce una compensación que consiste en que parte de la depresión perdida por la disminución de flujo se gana por el mayor estrechamiento producido por la cortina. Para que la cantidad de gasolina consumida no sea la misma, la cortina incorpora una aguja con forma cónica que se desliza dentro de la boquilla o chimenea. Es precisamente la forma de la aguja la responsable de que a una posición muy abierta del mando del acelerador cuando la cortina se encuentra en la parte superior, corresponde un gran paso de gasolina, y por el contrario, pase poco combustible cuando la cortina se encuentra en la parte inferior o más baja. Se comprueba así que una posición baja de la aguja corresponde con un paso muy limitado de gasolina, y una posición alta implica un mayor paso.

(Fig.1) con el objetivo de aumentar la potencia del motor y con ello un mejor rendimiento en la moto. Si nos respaldamos en un estudio teórico, el planteamiento no se ve prometedor, además de que se pueden optar por mejores opciones para poder llegar a dicho objetivo, esta opción es tomada por muchos que mediante el pulido o desgaste llegan hacerlo, y es ahí donde radica la importancia de realizar este estudio. 2

1 3

4

Fig.1 Estructura superficial del planteamiento del problema. (1) Tobera de admisión, (2) Carburador, (3) Cilindro de combustión (4) Diámetro de estudio.

a. Modelo de estudio No se ha tomado ningún parámetro especial para la dicha elección, por lo que se ha optado por una moto HONDA XR250 TORNADO, como la motocicleta de estudio.

MOTOR Tipo de motor

DOHC 4T 4 válvulas

Cilindrada

249 cc

Potencia máxima

20,2 hp a 7500 rpm

Torque máximo

21,5 Nm a 6000 rpm

Sistema de alimentación

Carburador 32mm

Sistema de enfriamiento

Por Aire

D. TOBERA DE ADMISIÓN De acuerdo al funcionamiento principal que tiene la tobera, el cual proporciona un aumento de velocidad acompañado de disminución de presión y temperatura, es que, la tobera acoplada de un extremo al Carter y por otro al carburador, tiene la principal tarea de admitir el aire en las mejores condiciones para un funcionamiento óptimo de la motocicleta.

Fig. 2. Fragmecto de la ficha técnica del motor de una XR250 TORNADO.

E. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. El funcionamiento de cualquier máquina es el resultado de un estudio que comprende varias ramas de la ingeniería, de tal manera que si se pretende hacer modificaciones se deben tomar todos los aspectos que comprenden. En este caso, se tiene como planteamiento la modificación del diámetro de la tobera de admisión del carburador de una motocicleta; esta modificación comprende la ampliación del diámetro correspondiente inferior de la tobera de admisión

Fig. 3. Carburado 32 [mm]

𝑇1 = 16 °𝐶 = 289,15 𝐾

De la figura 2, se extraen los siguientes datos:

𝑃1 = 65 𝐾𝑃𝑎

Cilindrada = 249 CC. Potencia = 7500[rpm] Sis.de alimentación= Carburador 32[mm]

• Para la sección del estrechamiento (sección 2), se tomará se tomará tanto como el caudal y una temperatura estimada. 𝑇𝑒𝑠𝑡 . = 15 °𝐶 = 288,15 𝐾

Para el carburador 32 [mm](Fig.3), se tienen normalizado las siguientes medidas de diámetro, que serán necesarias para el cálculo. Lado salida a motor: 32[mm] Lado entrada de aire: 55[mm]

• Para la sección 3, de igual manera solo se cuenta con el caudal y una temperatura estimada. 𝑇2 = 13 °𝐶

= 286,15 𝐾

• Para el nuevo diámetro con ampliación, se tomará como máximo 1[mm], de esa manera se tiene:

El diámetro del lado de entrada de aire será el mismo dato que tomaremos para el diámetro inferior de la tobera de admisión.

𝐷𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑎𝑑𝑜 = 56 𝑚𝑚

b. Procedimientos.

d. Ecuaciones para el cálculo.

El procedimiento de cálculo es bastante sencillo, y se basa en lo siguiente: • Primero se hallará las velocidades que pasan tanto por el diámetro de la tobera, el estrechamiento del tubo de Venturi y el diámetro que conecta al cilindro de combustión. Todo esto los datos no modificados. • El calculo consiste en hallas las propiedades criticas a partir de la sección 1 de la tobera, una vez teniendo los resultados, estos son utilizados para hallar las propiedades en el estrechamiento del tubo o sección 2; de la misma forma, a partir de la propiedad criticas se hallarán las propiedades de la sección 3. • El procedimiento se repite, pero se trabaja con el diámetro modificado con 1 [mm] de diferencia 1

El tubo Venturi es cuantificado mediante las [cfm] (Pie cúbico por minuto), que prácticamente es el caudal que se recorre en el carburador. La tobera de admisión al ser acoplada al carburador también tiene este caudal como referencia. Para motores con cilindraje inglés, se tiene: 𝑐𝑓𝑚 =

𝐶𝑖𝑙 ∗ 𝑟𝑝𝑚 ∗ 0,9 57,218

(1)

Tomando en cuenta:

𝑐𝑓𝑚 = 𝑄 = 𝐴 𝑣

(2)

También se hará uso de las ecuaciones de flujo compresible. 𝐾

2 + 𝑘 − 1 𝑀2𝐾−1 𝑃∗ = 𝑃 𝐾+1

2 + 𝑘 − 1 𝑀2 𝑇∗ = 𝑇 𝐾+1

2

𝑣 𝑀= = 𝑐

𝑣

𝑘𝑅𝑇

(4)

(3) (5)

Y la ecuación de gases ideales y en sección critica: 𝜌=

-

e. Cálculo. De la Ec. (1):

𝑃 𝑅𝑇

𝑐𝑓𝑚 =

3

Fig.4 Esquema de cálculo de diámetros. (1) Diámetro de la tobera de admisión(sección1),(2) Diámetro del estrechamiento(Sección 2 o Venturi),(3) Diámetro para el cilindro de combustión(sección 3)

c. Datos. • Para la sección 1 (Diámetro inferior de la tobera de admisión-Lado entrada de aire del carburador): 𝐷1 = 55[𝑚𝑚]

• Debido a que el aire que entra es del propio ambiente, para las propiedades termodinámicas se tomaran una medida estándar las propiedades a nivel de la ciudad de Oruro, Bolivia.

6

𝑐𝑓𝑚 =

Para la sección 1: • Densidad Ec.(6): 𝜌=

𝐶𝑖𝑙 ∗ 𝑟𝑝𝑚 ∗ 0,9 57,218

0,249 ∗ 7500 ∗ 0,9 57,218

𝑐𝑓𝑚 = 29,97

-

𝑃∗ 𝜌∗ = ∗ 𝑅𝑇

𝑓𝑡 3 𝑚3 = 0,0139 𝑚𝑖𝑛 𝑠

65000 𝑃 𝑘𝑔 = = 0,7833 3 𝑅𝑇 287(289 ,15) 𝑚

• De Ec. (2):

𝑣1 =

0,0139 𝑚 𝑄 = = 5,85 𝑠 𝐴1 𝜋 (0,055)2 4

• Número de Mach Ec (5):

(7)

𝑀1 =

5,85 1,4(287)(289,15)

= 0,0172 (𝐹𝑙. 𝑠𝑢𝑏𝑠ó𝑛𝑖𝑐𝑜)

• Sección de estrechamiento (2): 𝑀2 = 0,1318

-Para la sección critica: • Temperatura critica Ec. (3): 𝑇∗ = 𝑇

2 + 0,4 0,0172 2 2 + 𝑘 − 1 𝑀2 = = 240,97 𝑘 𝐾+1 2,4

• Presión critica.Ec(4): 𝑃∗ = 𝑃

2+ 𝑘−1 𝐾+1

𝐾 𝑀2𝐾−1

=

2 + 0,4 0,0172 2,4

• Velocidad crítica: 𝑣 ∗ = 𝑘𝑅𝑇 ∗ = 1,4(287 )(240,97) = 311 ,36

• Diámetro crítico: 𝐷∗ =

-

21,4 0,4

𝑚 𝑠

𝑃2 =

240,97 2,4 𝑇∗ 𝐾 + 1 −2 −2 𝑇 288,15 = = 0,1326 𝑘−1 0,4

𝐹𝑙. 𝑠ú𝑏𝑠𝑜𝑛𝑖𝑐𝑜)

𝑃∗

𝐾

2 2 + 𝑘 − 1 𝑀𝐾−1 𝐾+1

34345,43

=

1,4

2 + 0,4 (0,1326)20,4 2,4

• Velocidad Ec.(5):

𝑣2 = 𝑀2 𝑘𝑅𝑇2 = 0.1326 1,4(287)(288 ,15) = 45,12

= 64219,57 [𝑃𝑎]

𝑚 𝑆

-Para la sección 3: • Número de Mach Ec (3): 𝑀3 =

𝑇∗ 𝐾 + 1 −2 𝑇 𝑘−1

=

240,97 2,4 −2 286,15 0,4

𝑃∗

𝐾

2 2 + 𝑘 − 1 𝑀𝐾−1 𝐾+1

𝑣3 = 77,65

𝑚 𝑆

TABLA I. COMPARACIÓN DE RESULTADOS DE VELOCIDAD Velocidad Velocidad Velocidad Diámetro Sección1 Sección2 Sección3 [m/s] [m/s] [m/s] D. original= 55[mm]

5,85

45,12

77,82

D.ampliado=56[mm]

5,64

41,01

77,65

TABLA II. COMPARACIÓN DE RESULTADOS DE PRESIÓN Presión Presión Presión Diámetro Sección1 Sección2 Sección3 [Pa] [Pa] [Pa] D. original= 55[mm]

65000

64219,57

64672,21

D.ampliado=56[mm]

65000

59353,60

64419,26

III. CONCLUSIONES 34345,43

=

1,4

= 62672,21 [𝑃𝑎]

2 2 + 0,4 (0,2295)0,4 2,4

• Velocidad Ec.(5):

-

𝑀3 = 0,2290

𝑃3 = 64419,26[𝑃𝑎]

= 0,2295

• Presión Ec. (4): 𝑃3 =

• Sección 3:

F. RESULTADOS. Teniendo los cálculos correspondientes, se procede a seleccionar los que nos ayudaran a corroborar la aceptación o rechazo del planteamiento del problema.

4(0,0139) 4𝑄 = = 7,54 ∗ 10−3 𝑚 𝜋 𝑣∗ 𝜋(240,97)

• Presión Ec.(4):

𝑚 𝑆

𝑃2 = 59353,60[𝑃𝑎]

= 34345 ,43[𝑃𝑎]

Para la sección de estrechamiento: • Número de Mach Ec(3): 𝑀2 =

𝑣2 = 41,01

𝑣3 = 𝑀3 𝑘𝑅𝑇3 = 0.2295 1,4(287)(286,15) = 77,82

𝑚 𝑆

Con el mismo procedimiento descrito con anteriormente, se tiene los siguientes resultados: • Sección 1: 𝑣1 = 5,64

𝑚 𝑠

𝑀1 = 0,0165 𝐹𝑙. 𝑠𝑢𝑏𝑠ó𝑛𝑖𝑐𝑜

• Sección Critica:

𝑇 ∗ = 240,96 𝑘

𝑣 ∗ = 311,15

𝑚 𝑆

𝑃∗ = 34344,86[𝑃𝑎]

Con el respectivo análisis se llegaron a las siguientes conclusiones. • Ampliar el diámetro inferior de la tobera de admisión, no es una solución factible para mejorar el rendimiento e incluso la velocidad de entrega al cilindro de combustión es significativamente menor. • Se ha tomado como referencia de resultado las velocidades, debido a que son un factor importante para mejorar la potencia del motor, sin embargo, también se le debe prestar atención a los cambios de presión, ya que se requiere de ella para efectuar el efecto Venturi, si bien no están como parámetro de resultado principal, se puede observar que si tuvieron cambio una vez ampliado el diámetro de la tobera. • Suponiendo que se hubiese obtenido una mayor velocidad de salida, de igual manera no se

convierte en una opción para el mejoramiento del motor, debido a que la proporción airecombustible sufriría cambios y no rendiría igual. En este caso se tendrían que hacer más modificaciones extras. • Siempre que se deba hacer alguna modificación al carburador o a las toberas mismas, se debe consultar a un experto en la materia. Referencias [1] [2]

[3]

http://funesmotos-motosfunes.blogspot.com/2009/05/el-sistema-dealimentacion-el_18.html https://articulo.mercadolibre.com.ar/MLA-728593466-carburadorcortina-plana-34-32-30-28-maikuni-pwk-black-powerjet-2t-4t-moto-decompeticion-yamaha-honda-kawasaki-suzuki_JM?quantity=1&variation=29619964422#position=1&type=item&trac king_id=fd09e696-8de7-4444-a9de-9f11af42d222 https://www.bike-parts-honda.es/honda-motocicleta/250MOTO/XR/2014/17937...