MeM 009: Ingeniería Mecánica Airbox, Un límite a la potencia excesiva

En un motor de combustión interna el par y la potencia se obtienen justamente del proceso de combustión de la gasolina en presencia de oxígeno.

Gasolina + Oxígeno

La manera más sencilla de aumentar la potencia de un motor determinado es, por consiguiente, lograr un mayor ingreso de oxígeno para así poder inyectar más combustible.

De nada sirve inyectar mayores cantidades de combustible sin aumentar en forma proporcional la cantidad de oxígeno presente en la cámara de combustión.

Teniendo en cuenta que el oxígeno se encuentra presente en el aire (en un porcentaje aproximado del 20%) es, por tanto, necesario aumentar la cantidad de aire que ingresa en el cilindro.

Los turbo-compresores y compresores mecánicos hacen justamente esto. Toman aire a presión atmosférica, lo comprimen y luego ese aire comprimido entra en el cilindro. Las presiones de admisión de un motor sobrealimentado llegan normalmente hasta 2.5bar (presión absoluta) aunque en algunos casos pueden ser superiores.

Hay veces que se busca lo contrario, es decir, limitar la potencia máxima de un motor.

Sé que esto no suena para nada agradable pero en ciertas circunstancias es necesario hacerlo. Esto sucede en muchos motores de competición como la Formula 1, la Formula 3, la Formula Renault, y muchas otras categorías.

dinamicavehiculo

¿Qué es un airbox?

El airbox es una toma de aire de sección transversal determinada que limita el flujo de aire máximo que ingresa al motor.

Si la cantidad de aire que ingresa al motor tiene un límite, la cantidad de combustible máxima a inyectar estará también limitada,  por lo tanto, la potencia también estará limitada.

Tanto la ubicación como la forma del airbox pueden ser muy variadas y en general no hay ningún tipo de restricción en su diseño.

Lo que realmente importa es que su sección transversal tenga una superficie conforme a la especificación técnica de cada categoría.

airbox_1El airbox es la puerta de ingreso de un sistema muy complejo: la admisión.

Hay que pensar que un vehículo de competición se desplaza a alta velocidad y el aire que ingresa en la admisión (a través del airbox) estará sujeto a cambios de presión durante su paso por el conducto de admisión.

Este conducto está diseñado de forma tal que su sección transversal vaya aumentando en función de su longitud. El motivo de esto es hacer que la presión del aire vaya en aumento durante su trayectoria desde el airbox hasta llegar al filtro de aire (ubicado al final del conducto de admisión).

Considerando que el flujo de aire en este conducto es laminar, se aplica el principio de Bernoulli para calcular la presión de dicho aire en función de la velocidad y la sección transversal del conducto.

009_Formula

  • p: presión
  • ρ: densidad del aire
  • v: velocidad del flujo de aire
  • g: aceleración de la gravedad
  • h: variación de altura del flujo de aire

Cómo se dimensiona un airbox

La pregunta no es fácil de responder ya que hay muchas consideraciones que entran en juego.

  • Para empezar sabemos que si el airbox es demasiado pequeño el motor no tendrá la suficiente cantidad de aire (oxígeno) necesaria para obtener la potencia deseada. Por lo tanto, las secciones muy pequeñas no son recomendables si lo que se desea tener es potencia.
  • Por otra parte, el hecho de aumentar excesivamente el airbox no traerá grandes ventajas, ya que a partir de un determinado valor la cantidad de aire que ingresará al motor dejará de ser proporcional a la superficie transversal. No hay que olvidarse que las pérdidas aerodinámicas y los efectos de turbulencia en las zonas cercanas al airbox serán más importantes en la medida que el airbox sea más grande.
  • Esto pondrá un límite a la superficie máxima del airbox y requerirá de un trabajo exhaustivo para encontrar el balance justo entre cantidad de aire que ingresa al motor y aumento de la resistencia aerodinámica.

De todas maneras es necesario comentar que el dato más importante para el dimensionamiento es saber la velocidad máxima que alcanzara el vehículo.

Cada categoría tiene su especificación técnica en cuanto al dimensionamiento del airbox y es muy raro ver que un equipo no utilice el máximo valor permitido.

¿Se puede aumentar el ingreso de aire al motor a pesar de tener un airbox?

Sí.

La respuesta es clara y se basa en un principio muy conocido como la ley del gas ideal.

Consideremos que el aire es un gas ideal (no voy a entrar en detalle sobre que significa la idealidad de un gas), entonces podemos relacionar la masa de aire en función de la temperatura, la presión y el volumen del recipiente donde está contenido de acuerdo a la siguiente formula:

009_Formula_2

 de la cual se deduce

009_Formula_3

  • p: presión
  • V: volumen
  • n: número de moles (masa de aire / masa molar del aire)
  • T: temperatura en K
  • R: 0,082 (atm . l) / (K . mol)

De aquí se observa que para un volumen y presión determinadas, la cantidad de masa (expresada en cantidad de moles) del gas en cuestión (en este caso es aire) varía de acuerdo a su temperatura. Cuanto menor sea su temperatura mayor cantidad de masa habrá en ese recipiente.

Esto explica por qué los motores sobrealimentados están generalmente equipados con un intercooler (descendiendo la temperatura del aire después de su compresión en el turbo-compresor, se aumenta la masa para un volumen y presión determinada).

De todas maneras en muchas categorías del automovilismo están prohibidos los dispositivos por los cuales se disminuye la temperatura del aire que ingresa al motor.

Será por lo tanto necesario revisar los reglamentos antes de decidir qué estrategia utilizar para optimizar la potencia del motor.

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2 Respuestas

  1. Es considerable el cambio en la temperatura al variar la presión ?, tanto como para pensar en un intercambiador de calor?

    Tomas junio 1, 2014 at 3:29 am #
    • Juan P Montiel Meurer - MOTOR EN MARCHA

      Gracias Tomas por tu pregunta. La presión puede llegar a aumentar en un 5% a 10% y eso trae, por supuesto, una variación en la temperatura. Hay que pensar que cualquier vehículo que tenga un Airbox va a ser de competición, el espacio físico para agregar dispositivos y el peso de los mismos a veces no hacen viable la alternativa de un intercambiador de calor o “intercooler”. Por otra parte en muchas categorías los intercambiadores de calor no están autorizados.

      Juan P Montiel Meurer - MOTOR EN MARCHA junio 1, 2014 at 8:48 pm #

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