ESTUDIO DEL SISTEMA DE COMBUSTIÓN-EXPANSIÓN DE UN

MOTOR DE 5 TIEMPOS

Santiago Madriñán MolinaDirector: Ing. Helmer Acevedo PhD

Grupo de Investigación en combustibles alternativos, energía y protección del medio ambiente

PLANTEAMIENTO PROBLEMA

La eficiencia máxima teórica de lo ciclos térmicos (Otto y Diesel) empleados en los motores de combustión interna esta determinada por la eficiencia de un ciclo Carnot que trabaje a las mismas condiciones.

La eficiencia de un ciclo Carnot a las condiciones típicas oscila entre el 55% y el 65%.

PLANTEAMIENTO PROBLEMA

Las eficiencias de los motores de combustión interna modernos están en el orden del 25-30% para ciclos Otto y del 35-38% para ciclos Diesel.

Es decir que se desperdicia la mitad de la energía potencialmente utilizable.

La potencia perdida se disipa por acción del sistema de refrigeración, convección al ambiente, pérdidas por fricción y por el flujo de masa de los humos calientes que salen del sistema.

PLANTEAMIENTO PROBLEMA

Una de las cantidades más importantes de energía disipada se encuentra en los gases calientes que salen del motor luego del proceso de expansión. Estos gases suelen salir a temperaturas del orden de lo 500-900°C, aunque en los ciclos teóricos las temperaturas pueden elevarse hasta los 1500°C.

Es decir que estos gases aún tiene mucha posibilidad de realizar trabajo de expansión hasta alcanzar las condiciones de equilibrio con el ambiente.

PLANTEAMIENTO PROBLEMA

Tradicionalmente una de las formas más comunes de aprovechar parte de la energía de los gases de escape es utilizar un turbo-compresor. Un turbo-compresor es una turbina acoplada a un compresor, entonces los gases de escape mueven la turbina y esta a la vez mueve el compresor para aumentar la presión en la admisión del motor. Lo que se pretende es aumentar la cantidad de mezcla al interior del pistón y por lo tanto lograr potencias mas elevadas para un mismo tamaño de motor.

PLANTEAMIENTO PROBLEMA

Los motores turbo cargados históricamente han tenido especialmente una desventaja, el turbo-lag. Este fenómeno se debe a que a bajas RPM del motor lo gases no tienen la suficiente energía para mover el turbo, por lo tanto la potencia del motor cae en comparación con un motor de aspiración atmosférica. Una vez el turbo entra en funcionamiento los motores turbo se caracterizan por una descarga de potencia, lo que produce en ocasiones un manejo impredecible. Mientras la entrega de potencia en motores atmosférico es mucho mas lineal.

PLANTEAMIENTO PROBLEMA

Otra forma de utilizar la energía de los gases de escape es mediante algunos ciclos que se vienen desarrollando experimentalmente y a nivel de prototipo, como lo son los ciclos de 5 tiempos y de 6 tiempos. La idea con estos ciclos es darle una segunda oportunidad de expansión a los gases de escape en un sistema cilindro-pistón.Pero estos sistemas aún están en una fase experimental, por lo que se requiere optimizarlos para hacerlos viables para su aplicación a nivel industrial.

OBJETIVOSGENERAL:Estudio y simulación del sistema de combustión y expansión de un motor que funcione con un ciclo térmico de 5 tiempo.

ESPECIFICOS: Definir un sistema de combustión-expansión para un

motor de 5 tiempos. Simulación del desempeño de un motor que incorpore

un ciclo térmico de 5 tiempos. Adaptación de un motor convencional (4T) para

operar en 5 tiempos y evaluación de su desempeño mecánico.

HIPÓTESISSi se permite a los gases de escape de un motor de combustión interna de ciclo Otto expandirse en cilindros adicionales, esto aumentaría la eficiencia energética de los actuales motores y el rendimiento de los mismos, contribuyendo a reducir las emisiones de efecto invernadero causantes del calentamiento global.

ANTECEDENTESLos principales antecedentes son patentes:

Patente # 4,917,054 del año 1990. “SIX-STROKE INTERNAL COMBUSTIO ENGINE” Gerhard B. Schmitz, Silivio Gesell Strasse, 19, B-4780 Saint-Vith, Belgium.

Patente # US 6,553,977 B2 del año 2003. “”FIVE-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE”; Gerhard Schmitz, Am Sonnenhang 26, B-4780 Sant-Vith (BE).

Patente # US 6,776,144 Bl del año 2004. “FIVE STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE”; Lennox G. Newman, 16355 SW. 87 Pl., Miami, FL (US) 33157.

Algunas empresas reconocidas mundialmente han utilizado algunas de estas patentes para realizar prototipos como es el caso de la empresa Ilmor Engineering, quien presento un motor prototipo de 5 tiempos que se muestra a continuación:

MOTOR DE COMBUSTION INTERNA DE 6 TIEMPOS (PATENTE US 4,917,054)

MOTOR DE COMBUSTION INTERNA DE 6 CICLOS (PATENTE US 7,673,596 B2 Y US 8,256,390 B1)

MOTOR DE COMBUSTION INTERNA DE 5 TIEMPOS (PATENTE US 6,776,144 B1)

MOTOR DE COMBUSTION INTERNA CON MULTIPLES ETAPAS DE COMPRESION Y EXPANSION (PATTENTE US 5,072,589)

MOTOR DE COMBUSTION INTERNA DE 5 TIEMPOS (PATENTE US 6,553,977 B2)

MOTOR DE COMBUSTION INTERNA CON UN SOLO CIGÜEÑAL Y CILINDROS OPUESTOS (PATENTE EP 2 320 048 A1)

MOTOR DE DOBLE PISTON (PATENTE US 7,516,723 B2)

METODOLOGIAFASE #1 OBJETIVO ESPECIFICO: Diseño del sistema de combustión-expansión para un motor de 5 tiempos.

Para el diseño del sistema combustión-expansión se recurrirá al estudio de patentes ya existentes que aportes ideas acerca de como debe ser el diseño. Posteriormente se realizarán bocetos que ilustren el sistema, los bocetos se realizarán en base a los parámetros actuales para motores de combustión interna descritos en libros como:

INTERNAL COMBUSTION ENGINE FUNDAMENTALS, John B.Heywood. Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine, Willard W. Pulkrabek. Internal Combustion Engines, Ganesan.

Textos que detallan de forma clara y a profundidad los conceptos básicos del diseño y funcionamiento de las tecnologías actuales para motores de combustión interna, lo cual será de mucha ayuda puesto que el diseño que se pretende proponer busca utilizar conceptos y técnicas de fabricación ya probadas.

La viabilidad de los bocetos desde la cinética y cinemática de los mecanismos se analizará con la ayuda de un software llamado AUTODESK INVENTOR, aunque también se realizará un análisis previo con ayuda de las ecuaciones que rigen la cinemática y la cinética de los mecanismos tipo biela-manivela, leva-seguidores, engranajes y poleas.

Una vez se hayan solventado los principales problemas del diseño, hasta el momento se han identificado 4: sistema de lubricación, garantizar la estanqueidad, incorporación de un árbol de levas adicional, sistema de válvulas y ductos para los gases de escape) podrá realizarse el modelamiento isométrico en AUTODESK INVENTOR, en donde se solventaran algunos detalles extras y se visualizara de mejor forma el diseño propuesto para refinar y ultimar detalles.

Una vez completado el diseño podrán realizarse simulaciones de la transferencia de calor en las piezas con ayuda del software ANSYS, junto con un sustento matemático dado por la ecuación diferencial para la conducción de calor, así como la ecuación de convección y radiación.

Por último se elaboraran los planos de ingeniería básica de las partes diseñadas para el motor de 5 tiempos de ciclo Otto.

METODOLOGIAFASE #2 OBJETIVO ESPECIFICO: Simulación del desempeño de un motor que incorpore un ciclo térmico de 5 tiempos.

Para lograr alcanzar el objetivo específico de la fase 2, se recurrirá a la simulación y simulación del sistema previamente diseñado. Para realizar la simulación del rendimiento, factores de emisión y eficiencia del motor diseñado, se comenzará por delimitar el alcance de dicha simulación. Como el objetivo principal de la tesis es el diseño del sistema combustión-expansión de un motor de 5 tiempo ciclo Otto, entonces la simulación pasa a un segundo plano, en donde la función de la simulación no es mas que validad al menos teóricamente el diseño realizado a falta de poder construir un prototipo, lo cual es inviable por razones de tiempo, presupuesto y tecnología disponible.

La simulación deberá comenzar con la ecuación de continuidad (balance de masa), que junto con la ecuación de cantidad de movimiento me darán el perfil de velocidad de los gases a la entrada del cilindro, en el interior del mismo y durante su proceso de expansión adicional, con la ayuda de este perfil de velocidades puedo entrar a la ecuación de energía, en donde podré relacionar aspectos como la transferencia de calor, el calor aportado durante la combustión, para de esta forma obtener un perfil de temperaturas y presiones dentro de la cámara de combustión lo cual me permitirá con ayuda de la ecuación de Arrhenius predecir la cinética de las reacciones y de esta forma poder estimar las emisiones y rendimiento energético del motor.

Si bien se expondrá un sustento matemático de la simulación se recurrirá a la ayuda de software comercial disponible como ANSYS para los análisis CFD, KIVA 4 para los problemas de transferencia de calor y energía y de Chemquim para la cinética de las reacciones.

METODOLOGIAFASE #3 OBJETIVO ESPECÍFICO: Adaptación de un motor convencional (4T) para operar en 5 tiempos y evaluación de su desempeño mecánico.

Para alcanzar el objetivo específico de la fase dos, se recurrida a la adaptación de un motor de 4 tiempos (motor principal) que opere en ciclo Otto preferiblemente de al menos 4 cilindros de los que existen actualmente en el laboratorio de motores. Se gestionará la consecución de un motor de 4 tiempos (motor secundario) que opere en ciclo Otto y que sea preferiblemente de 2 pistones de gran diámetro y gran carrera para que la expansión sea máxima. Se realizará un acople mecánico entre los cigüeñales de ambos motores, así como un sistema de admisión-escape entre ambos motores, el cual transportará los gases de escape del motor primerio hasta la admisión del motor secundario, para evitar perdidas por transferencia de calor se incluirá una manta térmica para mantener la temperatura de los gases de escape constante. Como el motor secundario debe operar como si fuera un 2 tiempos, entonces se requiere modificar la relación de giro entre el cigüeñal y el árbol de levas, de modo que se modifica la relación 1 a 2 por 1 a 1.

Se realizarán pruebas donde se comparé el rendimiento del motor principal (línea base), con el rendimiento del sistema de motores (motor principal más motor secundario); los parámetros de comparación serán potencia, torque, BSFC y emisiones reguladas.

CRONOGRAMAFASE #1 OBJETIVO ESPECIFICO: Estudio del sistema de combustión-expansión para un motor de 5 tiempos.

ACTIVIDAD 1:Revisión bibliográfica de los antecedentes y patentes existentes para motores de 5 tiempos.(Duración 3 semanas)

ACTIVIDAD 2: Revisión bibliográfica de los sistema de sellos y lubricación en los motores de combustión interna ciclos Otto y Diesel. (Duración 2 semanas)

ACTIVIDAD 3: Diseño conceptual / bocetos para el sistema de combustión-expansión de un motor de 5 tiempos. (Duración 6 semanas)

FASE 4: Comprobación de la viabilidad de los bocetos desde la cinemática y cinética del mecanismo biela-pistón propuesto. (Duración 3 semanas)

ACTIVIDAD 5: Comprobación desde la termodinámica (Modelo de gas ideal-real) y desde la teoría de la combustión la viabilidad térmica del diseño propuesto, utilizando software especializado como STANJAN (cinética de las reacciones) y EES (solucionador de ecuaciones para el modelo de gas ideal). (Duración 4 semanas)

ACTIVIDAD 6: simulación en detalle del sistema combustión-expansión para un motor de 5 tiempos utilizando INVENTOR AUTODESK como software de simulación isométrica. (Duración 12 semanas)

ACTIVIDAD 7: Generación de planos conceptuales del diseño realizado. (Duración 2 semanas)

CRONOGRAMAFASE #2 OBJETIVO ESPECIFICO: Modelamiento del desempeño de un motor que incorpore un ciclo térmico de 5 tiempos.

ACTIVIDAD 1: Con los datos obtenidos en INVENTOR, se realiza una simulación en el mismo software (corroboración de las ecuaciones cinemáticas del mecanismo propuesto), donde se compruebe la cinética y la cinemática del modelo definitivo. (Duración 2 semanas)

ACTIVIDAD 2: Modelamiento y enmallado de la cámara(s) de combustión del motor propuesto en ANSYS. (Duración 8 semanas)

ACTIVIDAD 3: Importación de la geometría (nodos del perfil de la cámara de combustión) al software KIVA 4. (Duración 5 semanas)

ACTIVIDAD 4: Acoplamiento del software KIVA 4 especializado en motores de combustión interna con el software Chemquim especializado en cinética de las reacciones químicas de la combustión. (Duración 3 semanas)

ACTIVIDAD 5: Modelamiento de la eficiencia, rendimiento y factores de emisión del motor de 5 tiempos propuesto. (Duración 6 semanas)

CRONOGRAMAFASE #3 OBJETIVO ESPECÍFICO: Adaptación de un motor convencional (4T) para operar en 5 tiempos y evaluación de su desempeño mecánico.

ACTIVIDAD: Gestionar la consecución de un motor de 4 tiempos de 2 cilindros en línea que opere en ciclo Otto. (Duración 4 semanas) ACTIVIDAD: Fabricación acople mecánico y demás dispositivos entre el motor de 4 tiempos (principal) y el motor de 4 tiempos secundario. (Duración 6 semanas) ACTIVIDAD: Realizar pruebas sobre el motor principal para tener un línea base. (Duración 3 semanas) ACTIVIDAD: Realizar pruebas sobre el sistema de motores. (Duración 6 semanas) ACTIVIDAD: Análisis y discusión de resultados. (Duración 3 semanas) ACTIVIDAD: Escribir documento final. (Duración 6 semanas)

BIBLIOGRAFIA1. INTERNAL COMBUSTION ENGINE FUNDAMENTALS, John B.Heywood.

2. Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine, Willard W. Pulkrabek.

3. Internal Combustion Engines, Ganesan.

4. Patente # 4,917,054 del año 1990. “SIX-STROKE INTERNAL COMBUSTIO ENGINE” Gerhard B. Schmitz, Silivio Gesell Strasse, 19, B-4780 Saint-Vith, Belgium.

5. Patente # US 6,553,977 B2 del año 2003. “”FIVE-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE”; Gerhard Schmitz, Am Sonnenhang 26, B-4780 Sant-Vith (BE).

6. Patente # US 6,776,144 Bl del año 2004. “FIVE STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE”; Lennox G. Newman, 16355 SW. 87 Pl., Miami, FL (US) 33157.