1. Modeling of the LMS channel and introduction to the problem of channel reduction
1.3. Validation of the SCHUN simulator and introduction to the channel reduction problem
Los motores incorporan un dispositivo que permite modificar el par motor dentro del campo de utiliza- ción. Este dispositivo suele ser una varilla, un eje o una palanca que actúa sobre la alimentación del motor. En cuanto su accionamiento puede ser: manual -es decir accionado por el operario-, o automáti-
co -si es accionado por un sistema basado en un sensor y un actuador.
El accionamiento manual -que puede ser mediante un pedal- puede ser de acción directa sobre la ali- mentación del motor o indirecta a través de elementos intermedios destinados a evitar variaciones exce- sivamente bruscas.
El accionamiento automático se aplica principalmente en aquellos motores que deben funcionar por largos periodos de tiempo en régimen casiestacionario. Es un regulador (“governor” de tipo mecánico, hidráulico, electrónico... el que se encarga de controlar la alimentación del motor para que este gire al régimen de velocidad de consigna.
Un repaso de las ecuaciones del par motor y del trabajo, juntamente con un análisis fenomenológico del proceso de combustión, permiten deducir las variables sobre las que se puede actuar para variar el par de un motor alternativo de combustión interna y adecuarlo a la carga externa. Así, el par motor está relacionado con el trabajo efectivo por ciclo motor según la ecuación
e e
W
M
=
ϕ
(4.14)en la cual el desplazamiento angular ϕ representa el ángulo en radianes que debe girar el eje motriz para la producción de un ciclo de trabajo We.En el caso de una transmisión directa, ϕ es constante y sólo
depende del ciclo motor; así en un motor monocilíndrico de dos tiempos, ϕ = 2 π, y en uno de cuatro tiempos, ϕ = 4 π. Evidentemente, una primera posibilidad de regular el par motor reside en variar el desplazamiento angular mediante una caja de velocidades o un variador continuo y por tanto, a expen- sas, de perder (o ganar) velocidad; sin embargo, esta solución no está vinculada al tipo de motor y esca- pa del ámbito del análisis que aquí se presenta.
Para un ϕ dado, el par motor varia linealmente con el trabajo obtenido por ciclo. El análisis de los facto- res de que depende dicho trabajo sugiere las posibilidades de regulación: así, partiendo de la definición de rendimiento efectivo como relación entre el trabajo efectivo We y calor suministrado Q
e e
W
Q
η =
(4.15)aceptando el convenio de que el calor suministrado es igual al PCI·mc resulta
a a
e e c e e
e
m
m
W
m PCI
PCI
PCI
r
r
= η ⋅
⋅
= η ⋅
⋅
= η ⋅
⋅
λ ⋅
(4.16)y sustituyendo masa de aire por volumen de aire aspirado:
d A e e e
V
W
PCI
r
⋅ρ
= η =
⋅
λ ⋅
(4.17) donde:We trabajo efectivo por ciclo [J]
PCI poder calorífico inferior del combustible [J/Kg] Vd cilindrada total [m3]
ρA densidad de la carga [kg/m3]
λ factor de aire = (mA / m A estequiométrica )
re relación másica de mezcla estequiómetrica
Analizando la expresión (4.17) del trabajo efectivo por ciclo se constata que el rendimiento efectivo no es una variable idónea para ser empleada como parámetro de regulación, puesto que interesará mante- nerlo en su máximo valor posible.
Tanto el calor calorífico inferior PCI del combustible, como su relación de mezcla estequiométrica con el aire re son propiedades relacionadas con su composición; por tanto, difícilmente se podrá actuar so- bre ellas como medio de regular el par motor. Descartadas las citadas, sólo quedan la densidad de la carga ρ, la dosificación λ y el volumen desplazado Vs.
En los motores diésel, como consecuencia de operar en combustión heterogénea, la regulación se puede lograr actuando sobre la dosificación: bastará modificar la cantidad de combustible inyectado en el ci- lindro para variar el calor liberado en la combustión y con ello el trabajo desarrollado por ciclo. La re- gulación se podrá efectuar entre unos límites en función de la disponibilidad de aire para la combustión; ello constituye la llamada regulación cualitativa.
Por el contrario, en el caso de motores de encendido por chispa (motor otto de gasolina o gas) la regula- ción basada exclusivamente en la dosificación no es viable. Ello se debe a que la inflamabilidad de la mezcla homogénea aire/combustible sólo se consigue dentro de un intervalo de relaciones de mezcla relativamente estrecho, limitado por los llamados límite pobre y límite rico de inflamabilidad.
Debido a ello, en los motores de encendido por chispa se ha recurrido tradicionalmente a la regula- ción por estrangulamiento. Con este procedimiento, para variar el par motor se actúa sobre la densi- dad de la carga, a base de crear una caída de presión variable a voluntad en el conducto de admisión (mariposa o similar). Obsérvese que en este caso lo que varía es la cantidad de mezcla atrapada en el cilindro -regulación cuantitativa- y con ello también el calor liberado en el transcurso de su combus- tión, por tanto, más o menos trabajo y, por tanto, par motor.
La simplicidad de la regulación por estrangulamiento en los motores Otto presenta en contrapartida el inconveniente de que, a cargas parciales, el motor consume una fracción importante de su trabajo indi- cado en aspirar y expulsar la carga del cilindro (trabajo de bombeo), con lo que el consumo específico crece sensiblemente. Además, como consecuencia de la progresiva estrangulación del conducto de ad- misión, a menor carga mayor pérdida de bombeo. Debido a ello, en estos últimos años diferentes auto- res han propuesto soluciones alternativas a la regulación por estrangulamiento.