La eficiencia volumétrica (VE) en la ingeniería de motores de combustión interna se define como la relación entre el volumen equivalente de aire fresco aspirado en el cilindro durante la carrera de admisión (si los gases estuvieran en la condición de referencia para la densidad) y el volumen del propio cilindro. El término también se utiliza en otros contextos de ingeniería, como bombas hidráulicas y componentes electrónicos. [1] [2] [3] [4]
La eficiencia volumétrica en el diseño de un motor de combustión interna se refiere a la eficiencia con la que el motor puede mover la carga de aire fresco dentro y fuera de los cilindros . También denota la relación entre el volumen de aire equivalente aspirado en el cilindro y el volumen barrido del cilindro. [5] Este volumen equivalente se inserta comúnmente en una ecuación de estimación de masa basada en la Ley de los gases de Boyle . Cuando VE se multiplica por el volumen del cilindro, se puede realizar una estimación precisa de la masa de aire del cilindro (carga) para su uso en la determinación del suministro de combustible requerido y el tiempo de encendido para el motor.
Las restricciones de flujo en los sistemas de admisión y escape crean una reducción en el flujo de entrada que reduce la entrega de masa total al cilindro. Bajo ciertas condiciones, el ajuste del ariete puede aumentar o disminuir la eficiencia de bombeo del motor. Esto sucede cuando una alineación favorable de la onda de presión en la tubería de admisión (o escape) mejora el flujo a través de la válvula. Aumentar el diferencial de presión a través de la válvula de admisión generalmente aumenta la VE en todo el rango de aspiración natural . Agregar presión de refuerzo del colector de admisión de un supercargador o turbocompresor puede aumentar la VE, pero el cálculo final para la masa de aire del cilindro tiene en cuenta la mayor parte de este beneficio con el término de presión en n = PV / RT que se toma de la presión del colector de admisión.
Muchos automóviles de alto rendimiento utilizan entradas de aire cuidadosamente dispuestas y sistemas de escape ajustados que utilizan ondas de presión para empujar el aire dentro y fuera de los cilindros, aprovechando la resonancia del sistema. Los motores de dos tiempos son muy sensibles a este concepto y pueden utilizar cámaras de expansión que devuelven la mezcla de aire y combustible que se escapa al cilindro. Una técnica más moderna para los motores de cuatro tiempos , la sincronización variable de válvulas , intenta abordar los cambios en la eficiencia volumétrica con los cambios en la velocidad del motor: a velocidades más altas, el motor necesita que las válvulas estén abiertas durante un mayor porcentaje del tiempo del ciclo para mover la carga dentro y fuera del motor.
Se pueden alcanzar eficiencias volumétricas superiores al 100% mediante el uso de inducción forzada, como la sobrealimentación o la turboalimentación . Con un ajuste adecuado, también se pueden alcanzar eficiencias volumétricas superiores al 100% con motores de aspiración natural . El límite para los motores de aspiración natural es de aproximadamente el 130%; [6] estos motores suelen tener un diseño DOHC con cuatro válvulas por cilindro . Este proceso se denomina sobrealimentación inercial y utiliza la resonancia del colector de admisión y la masa del aire para lograr presiones superiores a la atmosférica en la válvula de admisión. Con un ajuste adecuado (y dependiendo de la necesidad de control del nivel de sonido), se han informado VE de hasta el 130% en varios estudios experimentales. [7]
Entre las soluciones más "radicales" se encuentra el diseño de válvulas de manguito , en el que las válvulas se sustituyen directamente por un manguito giratorio alrededor del pistón o, alternativamente, por un manguito giratorio debajo de la culata. En este sistema, los puertos pueden ser tan grandes como sea necesario, hasta el tamaño de toda la pared del cilindro. Sin embargo, existe un límite superior práctico debido a la resistencia del manguito: en tamaños mayores, la presión dentro del cilindro puede "hacer estallar" el manguito si el puerto es demasiado grande.
La eficiencia volumétrica de una bomba hidráulica se refiere al porcentaje del flujo real de fluido que sale de la bomba en comparación con el flujo que sale de la bomba sin fugas. En otras palabras, si el flujo que sale de una bomba de 100 cc es de 92 cc (por revolución), entonces la eficiencia volumétrica es del 92 %. La eficiencia volumétrica cambiará con la presión y la velocidad a las que se opera una bomba, por lo tanto, al comparar las eficiencias volumétricas, la información sobre la presión y la velocidad debe estar disponible. Cuando se proporciona un solo número para la eficiencia volumétrica, normalmente será a la presión y velocidad nominales.
En electrónica, la eficiencia volumétrica cuantifica el rendimiento de alguna función electrónica por unidad de volumen [ ¿de qué? ] , generalmente en el menor espacio posible. Esto es deseable ya que los diseños avanzados necesitan incluir cada vez más funcionalidad en paquetes más pequeños, por ejemplo, maximizando la energía almacenada en una batería que alimenta un teléfono celular. Además del almacenamiento de energía en baterías, el concepto de eficiencia volumétrica aparece en el diseño y la aplicación de capacitores , donde el "producto CV" es una cifra de mérito calculada multiplicando la capacitancia (C) por la tensión nominal máxima (V), dividida por el volumen. El concepto de eficiencia volumétrica se puede aplicar a cualquier característica electrónica medible, incluida la resistencia , la capacitancia , la inductancia , el voltaje , la corriente , el almacenamiento de energía , etc.