3352-1491214127 (1)

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Revista científica de la Universidad Tecnológica de Silesia. Serie Documentos científicos sobre
transporte de la Universidad Tecnológica de Silesia. Serie de transporte
Volumen 94
2017
p-ISSN: 0209-3324
e-ISSN: 2450-1549
DOI: https://doi.org/10.20858/sjsutst.2017.94.13
Página de inicio de la revista: http://sjsutst.polsl.pl
Información de cita del artículo:
Markiewicz, T., Kaczmarczyk, Ł., Fabiś, P. Influencia de la modificación del sistema de admisión en
la potencia del motor del estudiante de fórmula. Revista científica de la Universidad Tecnológica de Silesia.
Serie Transporte. 2017, 94, 139-149. ISSN: 0209-3324.
DOI: https://doi.org/10.20858/sjsutst.2017.94.13.
Tomasz MARKIEWICZ1
, Lukasz KACZMARCZYK2
, Pawel FABIS3
INFLUENCIA DE LA MODIFICACIÓN DEL SISTEMA DE ADMISIÓN EN
EL PODER DEL MOTOR DEL ESTUDIANTE DE LA FÓRMULA
Resumen. Este documento es un resumen del diseño y la mano de obra del vehículo de admisión
con motor de estudiante de fórmula, para los proyectos de investigación de simulación que se llevaron
a cabo en el sistema de admisión. En el proceso, se seleccionó el sistema modelo más favorable, que
era capaz de producir una gama satisfactoria de las características del motor. Para los modelos
seleccionados, el sistema de admisión también se determinó en términos de su impacto en la potencia
y el par del vehículo de prueba, que estaba impulsado por un motor de cuatro cilindros con una
cilindrada de 0,6 dm3 .
Palabras clave: Fórmula Student, admisión, potencia del motor.
1. INTRODUCCIÓN
En los motores de pistón de combustión interna clásicos, la función del sistema de admisión era llevar
refrigerante al cilindro del motor manteniendo la menor resistencia posible al flujo, con el objetivo de obtener
una gran proporción de llenado de los cilindros. El factor de resistencia al flujo dependía de la forma del
colector de admisión, la longitud y forma de los conductos de admisión y el filtro de aire, que es un equipo
indispensable en el sistema de admisión. El sistema de admisión del motor de combustión interna fue
diseñado de tal manera que proporcione
1
4Turbo, Rzepakowa 1A Street 40-541, Katowice, Polonia. Correo electrónico: t.markiewicz@4turbo.pl.
2
Facultad de Transporte, Universidad Tecnológica de Silesia, Krasinskiego 8 Street, 40-019 Katowice, Polonia.
Correo electrónico: lukaszz.kaczmarczyk@gmail.com.
3
Facultad de Transporte, Universidad Tecnológica de Silesia, Krasinskiego 8 Street, 40-019 Katowice, Polonia.
Correo electrónico: pawel.fabis@polsl.pl.

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T. Markiewicz, L. Kaczmarczyk, P. Fabis
una cantidad adecuada de aire al motor durante su ciclo operativo a cualquier velocidad. Al diseñar el sistema de
admisión para motores sin carga , que predominantemente funcionan bajo presión negativa, debe tenerse en
cuenta que los movimientos ondulatorios se generan como resultado del movimiento del pistón hacia la posición
de punto muerto inferior. Sin embargo, en el caso de los motores sobrealimentados, que casi siempre funcionan
bajo presión, es importante seleccionar cuidadosamente el tamaño del plenum y el tamaño de los canales de
entrada en la etapa de diseño [14]. Los sistemas de admisión correctamente diseñados deben permitir el llenado
uniforme de todos los cilindros.
2. SISTEMA DE ADMISIÓN DEL MOTOR TURBO
La función del colector de admisión es suministrar aire a la cabeza del motor de inyección por chispa, mientras
que la cantidad de aire movido se ajusta mediante una válvula de mariposa, que forma parte del sistema. Un
elemento esencial del colector de admisión es una cámara de aire, que actúa como una cámara desde la que los
cilindros individuales absorben aire. Los corredores, o canales de entrada cortos, representan el segundo
elemento, que son una extensión de la cabeza de entrada y combinan la apertura de la cámara impelente. En el
caso del pleno, es necesario tener en cuenta los siguientes factores importantes:
- capacidad -
uniformidad del suministro de aire a los cilindros individuales -
configuración de la abertura (entrada) de los canales individuales para lograr el flujo máximo [2]
La forma básica del colector de admisión está determinada por su uso. Por lo general, al colector le sigue un
amortiguador, que se coloca frente a la llamada cámara de aire, junto con la cámara de aire, que suministra aire
a todos los cilindros.
Una ventaja del cilindro amortiguador son las menores pérdidas de caudal, lo que significa que es más
adecuado para utilizar la máxima potencia. En el caso de que se coloque un acelerador antes del colector, la
precisión aumenta, de modo que puede controlar la inyección de combustible y el encendido a bajas velocidades
del motor, lo que hace que esta solución sea más adecuada para vehículos de carretera. También se ha diseñado
una situación preferente para el colector de admisión de un vehículo de carretera de forma que el amortiguador
se coloca en el centro entre los canales de [1].
La función más importante del pleno es compensar el flujo de aire a los cilindros individuales.
Desafortunadamente, los fabricantes de automóviles utilizan diseños compactos y estéticamente agradables,
ubicando la entrada de aire en un extremo. Esto no es un problema en la etapa de diseño cuando se rellena la
cámara del motor, pero cuando el flujo de aire comienza a aumentar rápidamente en situaciones reales, se
produce una gran perturbación, lo que da como resultado una entrega desigual al cilindro de aire [2]. La
disposición de amortiguadores individuales con un solo acelerador implica dos aplicaciones diferentes, pero con
muchas características en común. En ambos casos, la entrada, que lleva el aire a los puertos de admisión,
idealmente debería incluir conductos cortos hacia la cámara de combustión. El tamaño del cono en relación con
los corredores de entrada debe seleccionarse con prudencia.
La Figura 1 muestra cómo la forma de las tomas de los corredores impacta en la velocidad del flujo de aire.
En el lado izquierdo se puede ver la velocidad del flujo en caso de terminación de un tubo simple, mientras que
el tubo derecho tiene forma cónica o de campana [9].
La longitud de los corredores tiene un impacto significativo en la cantidad de aire que ingresa a la cámara de
combustión cuando la válvula de admisión está abierta y el motor no está funcionando bajo presión (recarga). En
los motores turboalimentados en general, los mejores resultados se obtienen utilizando colas largas, lo que dará
como resultado una amplia gama de curvas de par planas a bajas velocidades, mientras que el turboalimentador
mantendrá una potencia relativamente alta al final de la curva [1]. La literatura contiene información que certifica
que el rodete es una herramienta para controlar el motor, dado que el diámetro y la longitud influyen en la forma
de la curva de potencia.

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Influencia de la modificación del sistema de admisión en la potencia del motor Formula Student
141.
Fig. 1. Comparación de flujos de velocidad para una entrada simple (lado izquierdo) y una entrada de cono (lado derecho);
mdot: caudal másico por segundo [9]
Fig. 2. Gráfico de la influencia del diámetro y la longitud de un rodete en la potencia del motor [2]
En principio, el diámetro implicará un giro fijo, en el que el motor produce la máxima potencia en la medida en
que el grueso rodete permite que el motor descargue aire libremente a alta velocidad, mientras reduce la potencia
al rango más bajo. La longitud de los canales permite la prolongación de la curva de potencia en las proximidades
del punto determinado por su diámetro (Fig. 2).
Los corredores cortos funcionan de manera opuesta: es decir, una menor potencia y par en el rango inferior ayudan
al motor a mantener la potencia durante el pico [2]. Uno de los puntos importantes en el diseño del colector de
admisión es la conexión entre el pleno y los corredores, que es el lugar donde se deben elegir cuidadosamente las
aberturas de entrada a los corredores, con la combinación más preferida que resulte en la formación de un orificio
en el entrada en forma de campana, o “trompeta” [1].

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Fig. 3. Señalización y forma de los extremos de entrada [9]
La construcción de la entrada de campana o la llamada “trompeta” en el pistón de entrada del corredor final del
motor de combustión interna se ha abordado abundantemente en la literatura técnica.
La dinámica de fluidos computacional moderna ofrece la posibilidad o incluso la capacidad de realizar simulaciones
por computadora para determinar la forma óptima de las "trompetas". La Figura 3 muestra tres tipos de canal de
entrada en forma de campana, que han sido analizados. Cada tipo de campana se caracteriza por valores
fundamentales como L (longitud), Do (diámetro de salida), Di (diámetro de entrada) y R (zona de radio) (Fig. 4). Hay
diferentes tipos de campanas: pueden ser de tubo recto, de radio normal de perfil aerodinámico o de perfil elíptico.
Durante el análisis de Blair, se probó una amplia gama de diámetros y dimensiones para cada tipo de campana.
Las figuras 6a-c representan el número de Mach (velocidad de las partículas) para un radio normal y un perfil elíptico.
a)
b)
C)
Fig. 4. Flujos de corriente de velocidad y su descomposición para: a) tubería de filete, b) perfil elíptico y c) tubería recta [9]

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143.
El redondeo simple (Fig. 4a) muestra una corriente de contracción significativamente menor, lo cual es evidente
para una tubería recta (Fig. 4c). Por el contrario, un perfil elíptico apenas estrecha la corriente, lo que significa que
el flujo es suave y uniforme. Además, como se muestra en la Figura 4c, cuando el tubo termina en una disección
recta y aguda, el coeficiente de influencia es 0,5672 y el caudal másico medido es de 30 023 g/s. Como se ve en la
Figura 4a, cuando el extremo de entrada se redondea con un radio ordinario, el coeficiente de influencia es 0,719 y
el caudal másico es 34,83 g/s. En la Figura 6b, cuando la campana está más refinada, el coeficiente de arrastre del
perfil elíptico es 0,743 y el caudal másico medido es 36,15 g/s. Se observan aumentos considerables en el caudal
(27 %) y el caudal másico (16 %) debido a la adición de incluso un simple redondeo al final del tubo de entrada. Un
corredor de entrada de campana correctamente diseñado tiene una mejor velocidad de flujo de 3,5 % en comparación
con la conexión normal del corredor redondeado con un colector de cámara impelente. En términos de diseño, se
observa que una boca acampanada de diámetro exterior bajo y grande es la solución más óptima. La longitud L de
la campana debe ser igual al diámetro inicial Do, mientras que el diámetro de entrada Di debe tener un diámetro de
material inicial de 2,13. Si bien la literatura no proporciona ningún análisis del redondeo, los autores han sugerido
que el redondeo debe tener una entrada de diámetro de 0,08 [9]. Sobre la base de toda la información recopilada
durante el diseño de la admisión y sus componentes, se creó un primer vehículo con múltiple de admisión de la
clase Student Formula, conocido como WT-02.
3. CONSTRUCCIÓN DEL COLECTOR DE ADMISIÓN PARA EL COCHE DEL ESTUDIANTE DE FÓRMULA
El objeto de la investigación es el vehículo de carreras de la clase Fórmula Student WT-02, equipado con un
motor de cuatro cilindros, cuatro tiempos, encendido por chispa, que tiene una capacidad de 600 cm3 .
Aunque este motor originalmente estaba propulsado por un sistema de carburador, en el curso de la adaptación del
vehículo, el motor se convirtió a un sistema de inyección multipunto.
Fig. 5. Vista del coche y motor.
Durante la construcción del proyecto, con el fin de aumentar las cualidades dinámicas del vehículo, se aplicó un
sistema de carga mediante un turbocompresor. El motor y el vehículo de prueba se muestran en la Figura 5.
Los estudiantes involucrados en el proyecto realizaron modificaciones en el sistema de admisión del motor,
mientras que el colector de admisión se diseñó utilizando el programa CAD de SolidWorks. La prioridad era crear
un colector de admisión modificado, que daría como resultado un motor sobrealimentado de alta potencia y se
caracterizaría por una baja resistencia al flujo.

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Fig. 6. Colector de admisión (Versión I) antes de
la optimización
Fig. 7. Colector de admisión (Versión I) después
de la optimización
Originalmente usamos un múltiple compacto (Versión I) (Fig. 6), para que todo el sistema de admisión encajara en
el marco del vehículo y cumpliera con los requisitos de las reglas de competencia de Formula Student. Esto involucró
un enfriador de aire de carga montado en el lado derecho del vehículo, que también determinó la ubicación del colector
de admisión. El colector se conectó directamente al acelerador y la tira de combustible mediante inyectores de
combustible. Después de analizar una serie de soluciones en la literatura sobre el diseño de un múltiple de admisión,
seleccionamos el diseño como se muestra en la Figura 7. En este múltiple, cambiamos el lugar donde se fijaba el
acelerador y usamos una entrada en forma de campana en la entrada de cada uno. corredor. El uso de tal solución
debería permitir una reducción en el coeficiente de resistencia al flujo.
4. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN DE FLUJO
Se realizaron simulaciones de flujo para dos colectores de admisión. El análisis se realizó en relación con el colector
lateral de entrada (Versión I) y las entradas centrales (es decir, “trompetas”) que se habían formado en los denominados
corredores (Versión II). En el cronograma del motor y las primeras pruebas en carretera, se observó que, en el motor
equipado con colector de admisión lateral, se suministraba una menor cantidad de aire a uno de los cilindros.
Fig. 8. Visualización de la velocidad de flujo de
las piezas
Fig. 9. Visualización de la descomposición
de la presión

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Fig. 10. Movimiento de las piezas en el interior del colector
El estudio se realizó utilizando el paquete Flow Simulation Solid Works 2014 (versión académica). La presión de
ajuste correspondía a la presión de entrada actual del motor oa 1,0 bar a la salida del colector (entrada al cilindro)
cuando prevalecía la simulación de presión atmosférica.
Fig. 11. Visualización de la velocidad de flujo de
las piezas
Fig. 12. Visualización de la descomposición
de la presión
Las Figuras 11-13 muestran los resultados de la simulación de flujo para la segunda versión del colector de
admisión del motor.
Fig. 13. Movimiento de las piezas en el interior del colector

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Una mejora visible en la segunda versión del colector de admisión proporcionó un factor de distribución
uniforme para cada cilindro del motor. Además, hubo una mejora en la uniformidad de la distribución de la presión
en todo el volumen del colector.
5. RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN Y DISCUSIÓN
Las simulaciones nos permitieron determinar el factor de caudal máximo para ambas versiones del colector
de admisión. La figura 14 muestra los resultados de la velocidad máxima de flujo para cada cilindro.
a)
b)
Fig. 14. Velocidad máxima de flujo para el colector: a) Versión I y b) Versión II

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147.
Se aprecia una mejora en la distribución de velocidades en cada rodete, mientras que se observa con mayor
claridad el valor máximo de velocidad de flujo. La mejora en el caudal medio a través del colector de admisión mejora a
su vez el factor de llenado, al tiempo que aumenta los parámetros de salida del motor. La Figura 15 muestra las
características externas del múltiple motor utilizado en las Versiones I y II.
El par máximo y la potencia máxima se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1. Comparación de los parámetros del motor
Parámetros II 103,3/141,5 128,7 8.227 7.285 Colector de admisión Versión
Potencia [kW/KM]
Par [Nm]
Potencia RPM [min-1 ]
RPM de par [min-1 ]
Colector de
admisión
Versión I
74/100
104,2 7.734
5.930
Las medidas obtenidas con un dinamómetro de chasis, como se muestra en la Tabla 1, confirman los cambios en
la admisión del motor, cuyo efecto es un aumento significativo en la potencia y el par, así como un aumento en la
dinámica del movimiento del vehículo.
6. CONCLUSIONES
Se realizaron estudios de simulación en banco, con el vehículo propulsado por un motor ZI, con el fin de realizar
cambios de diseño en el sistema de admisión, evaluar la influencia de la estructura del múltiple de admisión en el
desempeño del vehículo y del motor, y observar cambios en el flujo de refrigerante a través del colector de admisión.
La investigación arrojó las siguientes conclusiones: 1. La introducción del múltiple de entrada central provocó una
alineación de los factores discutidos en el capítulo entre los canales individuales (corredores). Esto resultó en una
operación uniforme del motor en términos de velocidad de ralentí.
2. El uso de entradas en forma de campana, también conocidas como “trompetas”, aumentó el caudal a través del
colector de admisión. Se registró un aumento del 3% en la velocidad del flujo con relación a las trompetas sin
colector y el refrigerante del lado de entrada.
3. Cambiar la estructura del múltiple de admisión puede resultar en un aumento de potencia y
esfuerzo de torsión. La potencia del motor aumentó un 39% y el par un 23,5%.
Parece razonable, por lo tanto, continuar investigando sobre la optimización de los ajustes del motor y la reducción
de la resistencia del flujo a través del sistema de admisión.

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a)
b)
Fig. 15. Gráficos de potencias y pares máximos para el manifold: a) Versión I y b) Versión II

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149.
Referencias
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Comunicaciones y Conectividad. ISBN: 9788320618068.
Zając Piotr. 2009. Motores de automóviles. Varsovia: Editorial Comunicaciones y
Asociaciones. ISBN: 978-83-206-1735-1.
7. Zając Piotr. 2010. Motores de automóviles: Sistemas de llenado de combustible, refrigeración, lubricación, admisión y escape.
Varsovia: Editorial Comunicaciones y Asociaciones. ISBN: 978-83-206-1783-2.
8. Liebre Peter, Leon Maria Kołodziejczyk. 2001. Motores de combustión. Varsovia: Escuela
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Varsovia: Editorial Comunicaciones y Asociaciones.
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5. Mysłowski Janusz. 2006. Carga de Motores. Varsovia: Editorial Comunicaciones y Asociaciones. ISBN:
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y Editorial Pedagógica. ISBN: 9788302079870.
Blair Gordon, Melvin Cahoon. 2006. Revista Race Engine Technology. Simon Moss Publishing, septiembre,
p. 36-41.
Recibido el 14.11.2016; aceptado en forma revisada 15.01.2017
Revista científica de la Universidad Tecnológica de Silesia. Series Transport tiene una licencia Creative
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