– Presión Efectiva Media del Freno-

Hemos presentado los temas de Eficiencia Térmica y Eficiencia Volumétrica como métodos para estimar el rendimiento potencial de una configuración de motor dada.

La Presión efectiva media del freno (BMEP) es otro criterio muy eficaz para comparar el rendimiento de un motor de un tipo dado con otro del mismo tipo, y para evaluar la razonabilidad de las afirmaciones o requisitos de rendimiento.

La definición de BMEP es: la presión media (media) que, si se impusiera a los pistones de manera uniforme de arriba a abajo de cada carrera de potencia, produciría la potencia de salida (de freno) medida.

Tenga en cuenta que el BMEP es puramente teórico y NO TIENE NADA que ver con las PRESIONES REALES DEL CILINDRO. Es simplemente una herramienta para evaluar la eficiencia de un motor dado en la producción de par a partir de un desplazamiento dado.

Al observar las ecuaciones 8 – a y 8-b a continuación, puede ver fácilmente que BMEP es simplemente el par por pulgada cúbica de desplazamiento, multiplicado por una constante. De hecho, muchas personas talentosas en el negocio de diseño y desarrollo de motores utilizan actualmente par por pulgada cúbica («relación de par») en lugar de BMEP, evitando así ese tedioso proceso de multiplicación.

Si conoce el par y el desplazamiento de un motor, una forma muy práctica de calcular el BMEP es:

(Ecuación 8-a, Motor de 4 Tiempos)

(Ecuación 8-b, Motor de 2 tiempos)

(SI prefiere lecturas de presión en barra en lugar de PSI, simplemente divida PSI por 14,5)

(SI está interesado en la derivación de esas relaciones, se explica en la parte inferior de esta página.)

Una salida de par de 1,0 lb-pie por pulgada cúbica de desplazamiento en un motor de 4 tiempos equivale a un BMEP de 150,8 psi. En un motor de 2 tiempos, ese mismo par de 1,0 lb-pie por pulgada cúbica es un BMEP de 75,4 psi. (La derivación de esa relación se da en el borttom de esta página.)

La discusión en el resto de esta página es con respecto a los motores de cuatro tiempos, pero se aplica igualmente a los motores de dos tiempos si simplemente sustituye 75.4 en todas partes que vea 150.8.

Esta herramienta es extremadamente útil para evaluar el rendimiento que se reclama para cualquier motor en particular. Por ejemplo, los motores Lycoming IO-360 (200 CV, 360 CID) y IO-540 (300 CV, 540 CID) de» válvula angular » obtienen su potencia nominal a 2700 RPM. A esas RPM (2700), la potencia nominal requiere 389 lb-pie (200 HP) y 584 lb-pie (300 HP) de par, respectivamente. (Si no entiende ese cálculo, HAGA CLIC AQUÍ)

A partir de esos valores de par, es fácil ver (de la Ecuación 8-a anterior) que ambos motores funcionan a una BMEP de aproximadamente 163 PSI (11,25 bar, o una «relación de par» de 1,08 lb-pie por pulgada cúbica) a la potencia máxima. El BMEP en el par máximo es ligeramente mayor.

Para una larga vida útil (en un marco de referencia de avión), aspirado naturalmente, SI (encendido por chispa) a gasolina, dos válvulas por cilindro, motor de empuje, un BMEP de más de 204 PSI (14 bar, relación de par de 1,35) es bastante difícil de lograr y requiere un programa de desarrollo serio y componentes muy especializados.

Vale la pena tener en cuenta que un motor contemporáneo de encendido por compresión (CI) normalmente aspirado puede fabricar fácilmente 15 bar de BMEP, y varios motores turboalimentados de calle de CI superan habitualmente los 20,5 bar. Es útil recordar que BMEP es una herramienta útil para comparar y evaluar tipos similares de motores.

Para fines de comparación, veamos los motores que comúnmente se creen que son el pináculo del rendimiento del motor: Fórmula 1 (Gran Premio).

Un motor F1 está especialmente diseñado y esencialmente sin restricciones. Para la temporada 2006, el reglamento requiere de 90° motor V8 de 2.4 litros de desplazamiento (146.4 CID) con un diámetro máximo de 98mm (3.858) y requiere un agujero espaciado de 106.5 mm (4.193). La carrera resultante para lograr 2,4 litros es de 39,75 mm (1.565) y se implementa con un cigüeñal de 180°. La longitud de varilla típica es de aproximadamente 102 mm (4,016 pulg.), para una relación Varilla / carrera de aproximadamente 2,57.

Estos motores son típicamente un diseño de 4 válvulas por cilindro con dos levas superiores por banco y discos de válvulas neumáticas. Además de las pocas restricciones mencionadas anteriormente, hay las siguientes restricciones adicionales: (a) sin compuestos de berilio, (b) sin pistones MMC, (c) sin tuberías de admisión de longitud variable, (d) un inyector por cilindro, y (e) el requisito de que un motor dure dos fines de semana de carrera.

Al final de la temporada 2006, la mayoría de estos motores de F1 funcionaban hasta 20.000 RPM en el equipamiento de carrera, y se fabricaban en las proximidades de 750 CV. Un motor para el que tengo las cifras hizo un valor de potencia máxima de 755 CV a una asombrosa velocidad de 19.250 RPM. Con una potencia máxima de 755 HP, el par es de 206 lb-pie y el BMEP de potencia máxima sería de 212 psi. (14,63 bar). El par máximo de 214 lb-pie se produjo a 17.000 RPM para un BMEP de 220 psi (15,18 bar). No puede haber ningún argumento de que 212 psi a 19,250 RPM es realmente increíble.

Sin embargo, veamos una tecnología doméstica asombrosa.

El motor de carreras de la COPA NASCAR es un motor severamente restringido, supuestamente derivado de componentes de» producción», aunque a partir de 2010, los 4 motores que compiten en ese nivel (Chevy, Dodge, Ford, Toyota) son motores de carreras diseñados específicamente para el libro de reglas de NASCAR.

Por regulación, los motores de COPA tienen un desplazamiento máximo de 358 CI (5,87 L). Deben usar un bloque V8 de hierro fundido de 90° con un espaciado de diámetro interior de 4.500 pulgadas y un cigüeñal de acero de 90°. Las culatas de cilindro están diseñadas especialmente y altamente desarrolladas, limitadas a dos válvulas por cilindro, ángulos de válvula específicos, alturas de piso de puerto específicas, etc.. Las válvulas son operadas por un solo árbol de levas de rosca plana montado en bloque (así es, todavía no hay rodillos a partir de 2014; pero cambiaron a seguidores de levas de rodillos para la temporada 2015) y un tren de válvulas de varilla de empuje / brazo basculante / resorte helicoidal. Además, se ve obstaculizado por el requisito de un solo carburador de cuatro barriles (hasta 2011) y ahora (2012 en adelante), por un cuerpo de acelerador similar a un carburador de 4 barriles y un corredor individual EFI. Se permite la ignición controlada electrónicamente (a partir de 2012), y hay requisitos de peso mínimo para los bielas y pistones. Puede encontrar más detalles sobre estos motores AQUÍ.)

¿Cómo funcionan estos motores de COPA? Al final de la temporada 2014, los motores de un importante fabricante de motores NASCAR estaban produciendo en el vecindario de 880 HP a aproximadamente 9000 RPM, y operan a un máximo de rpm de carrera en las proximidades de 9400 rpm.

Considere el hecho de que, para producir 880 HP a 9000 RPM, requiere 513 lb-pie de par, para un BMEP de potencia máxima de casi 216 PSI (14.92 bar, relación de par de 1,43). El par máximo para ese mismo motor era típicamente de aproximadamente 535 lb-pie a 7800 RPM, para un BMEP máximo de más de 226 psi (15,6 bar, relación de par de 1,50).

ESO es realmente asombroso.

(Ahora divago para una breve diatriba.

Es muy lamentable que, para la temporada 2015, la competencia intelectual de NASCAR haya decidido legislar que estos increíbles motores desaparezcan. Para la temporada 2015, estos mismos motores estarán equipados con un «Espaciador cónico» entre el cuerpo del acelerador y el plenum de admisión. Este espaciador equivale a poco más que una placa restrictora de lujo, que limita aún más la cantidad de aire que el motor puede ingerir. Ese cambio de regla redujo inmediatamente la potencia del motor a aproximadamente 725 CV.

Y mientras los funcionarios de NASCAR hablan de «reducir el costo de las carreras», este cambio de reglas ha requerido otro gran gasto de dinero R&D para desarrollar un nuevo paquete de motores (cámara de combustión, puertos, corredores de colector, configuración de plenum, perfiles de levas, resortes de válvulas, etc. sucesivamente. etc) para optimizar el rendimiento de este nuevo (diferente) paquete de motor.)

OK, ahora de vuelta a BMEP……..

Compare las figuras del motor de F1 con las figuras del motor de COPA para obtener una imagen más vívida de lo inteligentes que son estos tipos del motor de COPA. Además, considere el hecho de que (a) se debe usar un solo motor para cada reunión de carrera, que incluye al menos dos sesiones de práctica, una sesión de calificación y la carrera, que puede ser de hasta 600 millas, y (b) los motores Penske-Dodge que ganaron el campeonato de 2012 no sufrieron una sola falla de motor durante la temporada de 38 carreras de 2012.

Dicho esto, los ganadores recientes de la competición anual Engine Masters están logrando más de 16,9 bar BMEP (245 psi, ¡relación de par de 1,63 ! ) con motor de empuje de 2 válvulas, SI, de gasolina y aspiración normal. SIN EMBARGO, los constructores admiten libremente que, debido a los perfiles de levas muy agresivos, las relaciones de eje de balancín, los números brutos de elevación de válvulas y otros compromisos dirigidos a maximizar el BMEP, estos motores tienen una esperanza de vida relativamente corta.

NOTA: El 12 de enero de 2015, corregimos el siguiente párrafo, gracias al astuto lector Dan Nicoson, quien me señaló que la oferta de motor de Blanton era un Ford V6 de 3.8 litros, no un motor de 2.8 litros como se dijo anteriormente en la siguiente diatriba corta sobre afirmaciones absurdas de potencia.

Para apreciar el valor de BMEP (o par por pulgada cúbica) como herramienta de evaluación de reclamaciones de motores, supongamos que alguien le ofrece venderle un 3.8 litros (232 pulgadas cúbicas) Ford V6 que supuestamente hace 290 HP a 5000 RPM, y está equipado con off-the-shelf postventa de aluminio cabezas, un off-the-shelf colector de admisión y un «rendimiento» del árbol de levas.

Puede evaluar la razonabilidad de esta demanda de potencia calculando (a) que 290 HP a 5000 RPM requieren aproximadamente 305 lb-pie de torque (290 x 5252 ÷ 5000), y (b) que 305 lb-pie. de par de 232 pulgadas cúbicas requiere un BMEP de 198 PSI (150,8 x 305 ÷ 198), o una relación de par de 1,31.

Entonces descartaría esa afirmación como absurda porque sabe que si un hombre pudiera hacer la magia necesaria para hacer una relación de par de 1,31 con el diseño de cabezal OEM, el diseño de tren de válvulas OEM y un solo carburador ubicado en el centro, sería reconocido como uno de los gurús de motores preeminentes del mundo. También podría especular que se ha desarrollado una nueva unidad de poder anunciado («blantonpower»).

A modo de comparación adicional, para lograr un valor BMEP de 214 PSI (par medido de 583 lb-pie para una relación de par de 1.42,) de nuestro avión V8 GEN-1, tuvimos que utilizar cabezales de alta velocidad, de flujo alto y extremadamente bien desarrollados, un sistema de admisión / plenum de canal de igual longitud sintonizado especialmente desarrollado, un sistema de inyección de combustible desarrollado a medida, perfiles de levas de rodillo muy bien desarrollados y componentes de tren de válvulas, junto con una gran cantidad de componentes muy especializados que diseñamos y fabricamos.

DERIVACIÓN DE LAS ECUACIONES BMEP

La definición de BMEP (Presión Efectiva Media de freno), como se indicó anteriormente en la parte superior de esta página, es: «la presión media (media) que, si se impusiera a los pistones de manera uniforme de arriba a abajo de cada carrera de potencia, produciría la potencia de salida medida (del freno)». UNA VEZ MÁS, TENGA en cuenta que el BMEP es puramente teórico y no tiene nada que ver con las presiones reales del cilindro.

Si ponemos la definición en forma matemática, obtenemos:,

HP = BMEP x área del pistón x (carrera / 12) x RPM x pulsos de potencia por revolución / 33000

Trabajando a través de esa ecuación en términos de un motor de un solo cilindro, BMEP (en PSI) multiplicado por el área del pistón (pulgadas cuadradas) da la fuerza media aplicada al pistón durante la carrera de potencia. Al multiplicar esa fuerza por la carrera (pulgadas divididas por 12, lo que cambia las unidades a pies) se obtiene el trabajo neto (en pies-libras) producido por el pistón que se mueve de TDC a BDC con el BMEP ejercido sobre él a lo largo de ese movimiento. (Claramente esto no es un intento de representar la realidad en la cámara de combustión. Como se dijo anteriormente, BMEP es simplemente una herramienta conveniente para comparar y evaluar el rendimiento del motor.)

A continuación, la potencia se define como tiempo de trabajo por unidad. Por lo tanto, multiplicar el TRABAJO (pies-libras) por las RPM, luego multiplicarlo por pulsos de potencia por revolución (PPR) da la potencia neta (freno) (pies-libras por minuto en este ejemplo) producida por un cilindro. (En un motor de un solo cilindro, PPR es 1 para un motor de 2 tiempos o 1/2 para un motor de 4 tiempos.

Dado que un CABALLO de FUERZA se define como 33,000 pie-libra de trabajo por minuto, dividir el TRABAJO (ft-lbs) por 33,000 cambia las unidades de pie-libra por minuto a HP.

Dado que está claro que el área del pistón x carrera es el desplazamiento de un cilindro (en pulgadas cúbicas), la ecuación se puede simplificar a:

HP = BMEP x (desplazamiento / 12) x RPM x pulsos de potencia por revolución / 33000

La potencia también se define como:

HP = Par x RPM / 5252

Sustituyendo esa ecuación en la anterior se obtiene:

Par x RPM / 5252 = BMEP x (desplazamiento / 12) x RPM x PPR / 33000

Reduciendo esa ecuación se obtiene:

BMEP = (Par x 12 x 33.000 / 5252) / (Desplazamiento x PPR)

Evaluando las constantes, 12 x 33.000 / 5252 = 75,39985, que puede aproximarse con seguridad a 75,4. La simplificación de la ecuación de nuevo da:

BMEP = (Par x 75.4) / (Desplazamiento x PPR)

También está claro que debido a que la ecuación incluye PPR ( Pulsos de potencia por revolución ), se aplica a motores con cualquier número de cilindros utilizando el desplazamiento total, el par de frenado total y el PPR correcto.

Supongamos, por ejemplo, que mide 14,45 lb-pie de par de un motor monocilíndrico de 2 tiempos de 125 cc (7,625 CID) a 12.950 RPM, tendría 35,63 HP (285 HP por litro, bastante impresionante). El BMEP sería:

BMEP = (14.45 x 75.4) / (7.625 x 1) = 142.9 psi (9.85 bar)

Que BMEP (9.85 bar) es un número impresionante para un motor de 2 tiempos portado por pistón.

Sin embargo, supongamos que alguien afirma estar haciendo el mismo par con un motor de 125 cc de 4 tiempos de un solo cilindro a 12,950 RPM. La potencia sería la misma (35,63 HP, o 285 HP por litro). La densidad de potencia no necesariamente encendido las alarmas, (2008 2,4 litros F1 motores V8 se acercó a 315 caballos de fuerza por litro), pero la necesaria BMEP haría que dicen ser considerado como altamente cuestionable:

BMEP = (14.45 x 75.4) / (7.625 x 1/2) = 285.8 psi (19.7 bar)

Que BMEP (19.7 bar) es claramente absurdo para un motor de encendido por chispa (SI) de gasolina de 4 tiempos y aspiración natural. El profesor Gordon Blair declaró que superar los 15 bar de BMEP en un motor N / A es prácticamente imposible, pero eso fue hace unos años. Los motores «abiertos» de la Copa NASCAR, antes de la idiotez del Espaciador Cónico «reductor de costos», se acercaban a los 15,6 bar.

DIFERENCIAS DE DOS Y CUATRO TIEMPOS

Claramente, la diferencia en el cálculo de BMEP para motores de 2 y 4 tiempos es simplemente un factor de 2, debido al hecho de que un cilindro de 2 tiempos se dispara una vez por revulsión, mientras que un motor de 4 tiempos se dispara solo una vez por dos revoluciones. Las ecuaciones se pueden simplificar aún más incorporando ese factor PPR en la constante 75.4 y eliminando PPR de la ecuación, por lo que la constante para un motor de 4 tiempos es 2 x 75.4 = 150.8. Esto produce las ecuaciones que se muestran en la parte superior de este artículo, que utilizan el desplazamiento completo del motor y el par medido.

(Ecuación 8-a, 4-Stroke Motor)

(Ecuación 8-b, 2-Stroke Motor)