Introducción
Los motores de combustión interna de dos tiempos constituyen una fuente de
potencia mecánica en maquinaria portátil y utilitaria debido a su diseño ligero y
compacto. Comúnmente el sistema de escape es visto como un conducto pasivo
destinado a evacuar los gases quemados. Sin embargo, los fundamentos de la
mecánica de fluidos demuestran que este sistema es un componente
termofluidodinámico activo. El flujo de gases se propaga mediante pulsos
periódicos y ondas de presión no lineales, y no en un régimen estacionario. La
geometría y las restricciones del sistema interactúan con el ciclo de barrido del
cilindro, determinando la retención de la mezcla de aire y combustible, lo cual
condiciona la eficiencia volumétrica y la potencia neta del motor (Heywood, 1988;
Taylor, 1985).
El estudio del comportamiento del flujo en el escape en estos motores es
fundamental debido a las características técnicas ya que al carecer de inyección
electrónica y unidades de control, cualquier alteración física en la geometría del
escape se refleja de forma directa e inmediata en el rendimiento del ciclo. Una
restricción en el conducto obliga al pistón a realizar un trabajo mecánico adicional
para expulsar los gases residuales. Este fenómeno genera una pérdida por
bombeo, la cual degrada la eficiencia térmica del motor e incrementa el consumo
específico de combustible (Pulkrabek, 2004). Adicionalmente, las normativas de
emisiones exigen la incorporación de silenciadores y mallas catalíticas restrictivas;
por consiguiente, cuantificar la pérdida de carga y la elevación de la temperatura
interna resulta indispensable para comprender el sobrecalentamiento y la
formación de contaminantes (Ferguson & Kirkpatrick, 2001). Desde la perspectiva
de la mecánica de fluidos, reducciones en el área geométrica generan caídas de
presión por fricción y turbulencia (Çengel & Cimbala, 2018; Mott & Untener, 2015).
En el caso de los motores de dos tiempos, la dinámica acústica del escape es
crítica para el funcionamiento fluido. Una restricción excesiva ahoga el motor por
acumulación térmica (Moran et al., 2014), mientras que la retirar por completo el
escape provoca la fuga de la mezcla combustible fresca sin quemar (Blair, 1996;
Onorati & Ferrari, 2020).
A diferencia de los ciclos de cuatro tiempos, la carencia de un tren de válvulas
mecánico subordina íntegramente la retención de la carga y la evacuación de
gases a la geometría del colector. Por consiguiente, el objetivo de esta
investigación es evaluar el impacto de una reducción abrupta en el área transversal
del sistema de escape sobre el proceso de barrido, cuantificando su efecto directo
en la degradación del rendimiento cinemático (caída de RPM) y en el incremento
absoluto de la temperatura superficial en un motor de combustión interna de dos
tiempos.
Referencias
Blair, G. P. (1996). Design and simulation of two-stroke engines. SAE International.
Çengel, Y. A., & Boles, M. A. (2019). Termodinámica (9.a ed.). McGraw-Hill.
Çengel, Y. A., & Cimbala, J. M. (2018). Mecánica de fluidos: Fundamentos y
aplicaciones (4.a ed.). McGraw-Hill.
Ferguson, C. R., & Kirkpatrick, A. T. (2001). Internal combustion engines: Applied
thermosciences (2nd ed.). John Wiley & Sons.
Heywood, J. B. (1988). Internal combustion engine fundamentals. McGraw-Hill.
Moran, M. J., Shapiro, H. N., Boettner, D. D., & Bailey, M. B. (2014). Fundamentals
of engineering thermodynamics (8th ed.). John Wiley & Sons.
Mott, R. L., & Untener, J. A. (2015). Applied fluid mechanics (7th ed.). Pearson.
Onorati, A., & Ferrari, G. (2020). 1D and multi-D modeling of internal combustion
engines. SAE International.
Pulkrabek, W. W. (2004). Engineering fundamentals of the internal combustion
engine (2nd ed.). Pearson Prentice Hall.
Taylor, C. F. (1985). The internal-combustion engine in theory and practice: Vol. 1
Thermodynamics, fluid flow, performance (Rev. ed.). MIT Press.