Análisis CFD: airbox o colector de aire para el motor

- Brida de admisión, de la que ya hablamos en el último artículo.

- Airbox o caja de aire. Este sistema se resume en

1. Almacenamiento o reserva de aire para el motor: puede que el motor no sea capaz de respirar el aire que necesita para acelerar en las salidas de las curvas de baja velocidad. La caja de aire le proporciona ese flujo de aire que necesita.
2. Acondicionador de aire hacia los pistones: el motor tendrá más rendimiento cuantas menos turbulencias se generen en la entrada de los pistones y cuanta más presión exista en esa zona. Este acondicionamiento también se refiere a intentar aumentar la presión tanto como sea posible, justo a la entrada de los pistones, a modo de Turbo. Es complicado, pero hay que intentarlo.

Algunos motores, no precisamente los de competición, carecen de airbox. La toma de aire por parte de los cilindros es prácticamente directa, salvo por un pequeño filtro para evitar entradas no deseadas.

Hay diferentes geometrías de airbox, pero todos son reservas de aire. Su geometría influye también en el aumento de la presión y en la adecuación del flujo. 

Y disponen de una abertura a modo de entrada, que, como vimos en el último artículo, puede tener brida o no.              

Este airbox con una entrada doble se ha visto en varias temporadas de Fórmula 1. Sirve para separar el flujo de aire, dirigiéndolo hacia una línea de pistones y hacia la otra. Eso permite reducir la pérdida de energía o resistencia aerodinámica, pues reduce las turbulencias en el interior del airbox, por cuanto los pistones succionan aire, alternativamente.          

Este airbox de Fórmula 1 es un tanto especial, básicamente por su singular forma. Lo analizaremos en profundidad en futuros artículos. No obstante, sí podemos decir simplemente que puede disponer de deflectores en su interior para adecuar convenientemente el flujo de aire hacia los pistones.

Algunas tomas frontales dispondrán de una rejilla para impedir en la medida de lo posible la entrada de piedras u otros objetos exteriores, que podrían dañar severamente el motor.

Al final del airbox se encuentra la entrada a los cilindros. La aspiración se realiza directamente del aire que se encuentra en el airbox. Esta circulación de aire ha de ser lo más laminar posible, evitando todo tipo de turbulencias, pues éstas reducirían la presión justo en la zona de entrada y haría que la mezcla de gasolina y aire no fuese la óptima. Es por eso que los cilindros disponen de una especie de conducto hacia arriba denominado ‘trompeta’, que consigue separar la zona de aspiración de la base del airbox, donde pueden existir turbulencias.

Por si todo esto fuese poco, con tal de evitar turbulencias y evitar un flujo de aire no laminar, se instala un filtro en el airbox.

En este artículo estudiaremos un airbox de un Audi 1600 –4 cilindros– para saber si funciona correctamente y ver qué podríamos modificar de él para que fuese más eficiente.

Se aconseja optimizar el airbox sin ningún filtro, pues, si lo conseguimos, al instalar el filtro funcionará aún mejor.

SIMULACIÓN CFD

• Velocidad: 250 kilómetros/hora.
• Existe filtro en el interior del airbox.
• Turbulencias del 5%.
• El ordenador utilizado para la simulación está construido sobre la base de un PC con un procesador de 56 núcleos y una memoria RAM de 256 GB.

Proceso de la simulación:

• Elaboración y ajuste del set-up en el CAD a ensayar: 24 horas.
• Programación de la simulación, mallado y demás: 5 horas.
• Ejecución de la simulación: 24 horas
• Tratamiento y análisis de los datos obtenidos en la simulación: 24 horas.

GEOMETRÍA A ESTUDIAR

El sistema de admisión posee una sola entrada –o inlet– y cuatro salidas –u outlets–.   

Para que el airbox funcione correctamente, las cuatro salidas o cuatro entradas a los pistones tienen que recibir la misma cantidad de aire o flujo másico. No pueden existir pistones con más cantidad de aire o que funcionen mejor que otros. Eso es lo que vamos a analizar y cuantificar.

Ahora analizamos la distribución de velocidades justo en el plano horizontal en la entrada de los cuatro outlets.

Se puede apreciar que el Outlet 3 y el Outlet 4 poseen más velocidad de flujo. Eso significa que reciben más cantidad de aire que el Outlet 1 y el Outlet 2.

Calculamos la cantidad de aire que sale por cada Outlet en función de las iteraciones de la simulación CFD para validad lo que hemos constatado con la imagen anterior.

Es obvio que el Outlet 2 y el Outlet 4 aspiran mucha más cantidad de aire. Eso significa que el airbox no funciona como tendría que funcionar para un rendimiento óptimo. En esta simulación no hemos colocado el filtro. Si realizamos otra simulación con filtro, los resultados son algo mejores en el sentido de que se uniformiza ligeramente el flujo por los cuatro Outlets, pero el airbox sigue funcionando defectuosamente.

Por último, vemos las líneas de corrientes por el interior del airbox para confirmar las afirmaciones anteriores.

CONCLUSIONES

El airbox que hemos estudiado no funciona correctamente, puesto que los cuatro cilindros reciben cantidades muy dispares de aire. Eso no es concebible por cuanto deberían recibir, más o menos, el mismo flujo másico.

En esta ocasión y en nuestra opinión, el defecto a resolver radica en la restricción central que separa una cámara de la otra cámara de aire, donde se separa hacia los cuatro outlets. No forma parte por su longitud excesiva, el incorporar todos los diseños y análisis que hemos hecho intentando resolver el problema, pero no ha sido posible.

En próximos artículos se analizará un airbox completamente válido y extremadamente eficiente. En ingeniería, lo más simple suele ser normalmente lo mejor. En próximos artículos también se tratará el T-Wing ‘inferior’ que se instala en los coches de Fórmula 1.

SOBRE LOS AUTORES

Timoteo Briet Blanes:

Licenciado en Matemáticas y profesor en Ingeniería Industrial. Especialista en Aerodinámica, Simulación CFD, análisis Aero Post Rig. Ha dado clases en Másters de Ingeniería de Competición (Ismans, Le Mans, Mastac, Sun Red Team (Star CCM+), MIC, Campos Racing, Universidad de Nebrija (Star CCM+) y ha trabajado en el diseño de múltiples vehículos de competición y más (Tata Motors, bus Xerus, Aprilia, 125 cc, Pikes Peak Enviate Team USA, STC2000, Peugeot Argentina, Beta Epsilon (Vans con CFD - Fluent), Formula SAE en muchas universidades (Open Foam y más), Johnson Matthey (ESP y TDYN). También organiza conferencias y cursos presenciales y Online sobre aerodinámica, CFD y análisis Aero Post Rig ( https://lnkd.in/e3NpXEk ). Ha escrito más de 25 libros (Amazon) sobre estas temáticas y generado aplicaciones de software. Ahora está abierto a nuevos retos profesionales en cualquier parte del mundo.

• Mail: [email protected]
• LinkedIn: https://www.linkedin.com/in/timoteobriet
• Twitter: @TimoteoBriet

Ignacio Suarez Marcelo:

Recibió su Máster en Ingeniería y Doctorado en Ingeniería Electrónica en la Universidad de Extremadura en 2002 y 2011 respectivamente. Forma parte del equipo de investigación en Ingeniería Electrónica, Electrónica y Departamento de Automoción de la Universidad de Extremadura. Tiene una amplia experiencia en vehículos autónomos y sistemas incorporados, desarrollando sistemas para recabar datos en test aerodinámicos, módulos de control y paneles de instrumento para coches deportivos. En base a su colaboración con equipos de competición e ingenieros, ha desarrollado una plataforma de simulación virtual de siete puntos para el análisis del vehículo y del rendimiento de su manejo. Sus principales puntos de investigación son la optimización de la suspensión pasiva de los vehículos para mejorar la adherencia, manejo, análisis de aerodinámica inestable en coches de carreras de alto rendimiento y su efecto en las dinámicas verticales del vehículo, vehículos autónomos, sensores inteligentes y sistemas incrustados.

ACTIVIDADES DE LOS AUTORES

Curso 'Aerodinámica, simulación CFD y Aero Post Rig Análisis'. Presencial en agosto 2019 y online: https://lnkd.in/e3NpXEk

Colección de más de 20 libros sobre 'Race Car Engineering & Design' y también 'Vehicle Dynamic Book'. Dispnibles en Amazon, además de: https://lnkd.in/e3NpXEk  

Pack Software + Colección de libros: http://www.linkedin.com/pulse/pack-software-books-collection-improving-race-car-setup-timoteo-briet   

Charlas y cursos gratuitos para universidades: sólo gastos de desplazamiento y alojamiento.

Optimización de set-up de competición: aerodinámica y suspensión. Curso práctico con ejemplos, de 3 a 4 horas de duración.

Diseño y optimización de race-cars: fases y protocolo de actuación. Curso teórico, de 2 a 3 horas de duración.

'Paths in the universe'. Exposición de nuevas teorías sobre Astrofísica y Cosmología como expansión del universo, formación de galaxias, etc. Curso teórico de 2 horas de duración.

Están barajando la posibilidad de impartir un Máster en 2020 exclusivamente sobre Aerodinámica y CFD, las dos grandes materias o áreas de conocimiento y las más demandadas por los equipos de competición, incluyendo los de la Fórmula 1. Pueden contactar con ellos para más información: seis meses de intensa formación, profesores especializados, información y documentación detallada, ejemplos reales. Cada estudiante también recibiría la colección de libros, así como el pack de software especializado.

En https://lnkd.in/e3NpXEk podéis encontrar más información en un pdf, incluyendo temario, horario, precio y alojamiento.