Los motores de combustión interna (MCI) se caracterizan por ser agentes emisores de gases de efecto invernadero, los cuales tienen un impacto negativo sobre el medio ambiente, por lo que en la actualidad resulta necesario lograr mejorar la eficiencia mediante la reducción del consumo de combustible en este tipo de equipos. En tal sentido, el presente trabajo tiene como propósito desarrollar investigaciones que posibiliten mejorar la eficiencia y reducir la contaminación ambiental de los motores de combustión interna mediante el desarrollo de estrategias efectivas de control automático. Es por ello que en el presente trabajo se desarrolla el diseño de un controlador basado en un predictor de Smith discreto para el control efectivo de la velocidad de un motor de combustión interna (MCI), marca Nissan, modelo GA-15. En el trabajo se realiza un estudio sobre el estado del arte de los sistemas de control de los motores de combustión interna. Mediante la aplicación de las herramientas de identificación de sistemas se obtiene un modelo matemático discreto de este tipo de plantas. Se realiza el diseño de un sistema de control de la velocidad de giro del cigüeñal de un MCI marca Nissan modelo GA-15 instalado en la sala de máquinas térmicas del Laboratorio de Energía – Sección de Ingeniería Mecánica – Departamento de Ingeniería de la Pontificia Universidad Católica del Perú. Finalmente, se desarrolla un análisis de robustez del sistema de control diseñado y se realiza una propuesta de implementación de dicho sistema. / Tesis

Uno de los retos más críticos que enfrenta la industria del motor Diésel es cómo mejorar la economía del combustible respetando los límites establecidos en las emisiones. En estas tecnologías, son esenciales las mediciones precisas de consumo de combustible para el propósito de control y por lo tanto juegan un papel importante en el desarrollo de técnicas para la reducción de emisiones y mejora del consumo de combustible. Sin embargo, no todos los métodos ni técnicas de medición del combustible ofrecen una adecuada precisión o utilidad de empleo. El presente trabajo de tesis realizó un estudio experimental sobre cuatro técnicas distintas de medición de combustible a fin de determinar las desviaciones entre cada uno de ellas y su complejidad de implementación. Estas maneras de medición constan de un método gravimétrico, un balance de carbono considerando la composición del combustible y el resultado de las emisiones, un método de flujo másico medido con un coriolis y el valor calculado por el lazo de control del ECM del motor. Se realizaron ensayos en dos motores, Caterpillar y Cummins, acumulando 183 puntos de prueba “par-velocidad”, los cuales brindaron amplia información que permitió un trabajo estadístico y manejo de las incertidumbres muy preciso. Se registraron datos de manera simultánea de la balanza, cronómetro, coriolis y analizador de gases empleados en la experimentación. También se contó con los ECM de los motores, los cuales brindaron información sobre el consumo de combustible con un muestreo de un segundo. Después de evaluar los diversos resultados obtenidos se determinó que el método gravimétrico tiene una incertidumbre ajustable por el usuario a partir de los tiempos de espera entre toma de datos; los ECM de los motores del laboratorio de energía de la PUCP no arrojan información confiable respecto al consumo de combustible; la principal debilidad del método de balance de carbono es la cantidad y complejidad de los cálculos necesarios involucrados en la determinación del consumo de combustible y que el método másico empleando un medidor de coriolis fue para nuestro caso el que arrojó los resultados más confiables. / Tesis

La presente tesis tiene como objetivo plantear una metodología de análisis exergético que permita identificar los principales factores que producen las mayores pérdidas de energía en el proceso de combustión interna en motores de encendido por chispa. Una vez identificadas las principales pérdidas se sugieren estrategias específicas para mitigarlas en cierto grado, incentivando así a difundir las ventajas y aplicaciones que tiene el análisis Exergético para equipos térmicos. La estructura de la metodología propuesta está basada en metodologías internacionales de evaluación de motores tales como la norma SAE J1349 MAR2008 y SAE J1995, cuya aplicación permite realizar el análisis exergético de modo cuantitativo y con mayor simplicidad de cálculo en comparación con el análisis energético. Por lo tanto se presenta como una herramienta de cálculo más accesible hacia las personas, que con tan solo tener una base teórica general serán capaces de aplicarlo identificando los tipos, magnitudes y localizaciones de las irreversibilidades que se presentan durante el proceso de combustión cualitativamente. Para lograr el objetivo de esta tesis se inicia con la descripción de las características termodinámicas y mecánicas de los motores de combustión interna de encendido por chispa, luego se continuará con los conceptos teóricos necesarios para desarrollar el análisis energético y exergético. Además se propone la metodología de análisis según los ensayos realizados a un motor Nissan GA15DS de combustión interna encendido por chispa. Por último se valida dicha metodología mediante la comparación del análisis de los resultados obtenidos de los ensayos con trabajos similares anteriores a la presente tesis. También se presentan diagramas de Grassmann y Sankey que permiten observar el comportamiento de los flujos de exergía y energía identificando lugar y magnitud de las pérdidas. Adicionalmente se realiza la comparación de los resultados obtenidos del análisis energético con el exergético con fines didácticos para que el interesado pueda observar la ventaja y desventaja que posee cada tipo de análisis termodinámico. Finalmente, de los resultados obtenidos en los ensayos realizados, se llega a concluir que las principales irreversibilidades donde se disipa el mayor porcentaje de la exergía se dan en los gases de combustión, la transferencia de calor por radiación y por el sistema de refrigeración con un porcentaje de 10.3%,15% y 37.9% respectivamente. / Tesis

En la actualidad, el biodiesel constituye una alternativa y un complemento al diesel para reducir la contaminación ambiental y la escasez de combustibles fósiles, siendo un medio de energía renovable menos contaminante que el diesel convencional. Las características de este combustible lo hacen apropiado para funcionar en motores de encendido por compresión, sin tener que realizar cambios importantes al diseño del motor. En el presente trabajo se realizó una evaluación experimental del efecto de la utilización de 3 mezclas de diesel y biodiesel en porcentajes volumétricos de 5%, 7,5% y 10% (DB5, DB7,5 y DB10) sobre los parámetros relacionados al consumo de combustible y las emisiones contaminantes. Las pruebas experimentales se realizaron en un motor Cummins de encendido por compresión, 6 cilindros, 6.7 litros, turbo cargado; instalado en un banco de pruebas dinamométrico en el Laboratorio de Energía de la Pontificia Universidad Católica del Perú. Las pruebas experimentales consideraron 4 regímenes de giro (1000, 1300, 1600 y 2000 rpm) y 4 niveles de carga: 9.4, 18.8, 28.2 y 37.5 kPa, en términos de presión media efectiva. Ambas variables fueron establecidas como datos de entrada para cada ensayo y a partir de estas se midieron y calcularon los parámetros requeridos. En términos de desempeño del motor, se calculó la potencia efectiva, el consumo específico de combustible y el rendimiento efectivo para las 3 mezclas de diesel y biodiesel utilizadas. Los resultados indicaron que la potencia efectiva aumentó conforme se incrementó la velocidad de giro y carga del motor, pero se mantuvo constante para las tres mezclas. El consumo específico de combustible aumentó conforme se incrementó el porcentaje de biodiesel en la mezcla. El rendimiento efectivo presentó un aumento conforme se incrementó la carga en los ensayos, pero disminuyó al utilizarse más biodiesel en la mezcla. Respecto a los contaminantes gaseosos, se midieron el monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) y óxidos de nitrógeno (NOx). A partir de los valores registrados, se obtuvieron las variaciones porcentuales más significativas entre las emisiones encontradas para las 3 mezclas empleadas. Las emisiones de CO y CO2 disminuyeron a medida que se aumentó el contenido de biodiesel en las mezclas, presentando el CO las variaciones más significativas. Por otro lado, las emisiones de NOx aumentaron conforme se incrementó el porcentaje de biodiesel en la mezcla. Los aumentos porcentuales más altos se encontraron a mayores cargas y velocidades más altas. / Tesis

Este trabajo tiene como objetivo calcular la variación porcentual de las pérdidas de potencia, eficiencia y aumento de consumo de combustible de un motor de encendido por compresión de aspiración natural, que funciona a diferentes altitudes sobre el nivel del mar utilizando distintas mezclas BX. La metodología consistió en calcular por separado las variaciones en las características del motor debido a la altitud y mezclas BX, luego se sumaron para encontrar la merma total en el desempeño, esto fue posible utilizando métodos de cálculo empíricos para cada caso y supuestos que no consideran las características del combustible para cuantificar el efecto de la altitud en el motor, a su vez, las propiedades del aire no intervienen en el cálculo del efecto de las distintas mezclas BX en el motor. El trabajo contiene tres partes: en la primera se analiza el efecto que tiene la altitud en el desarrollo de la potencia, eficiencia y consumo de combustible en el motor, el estudio demuestra que a medida que se incrementa la altura disminuye la densidad y presión atmosférica, limitando la potencia que puede desarrollar el motor. En la segunda parte se analiza el efecto que tiene el biodiesel de palma aceitera, si bien este combustible tiene características muy parecidas con el diesel 2, algunas propiedades cambian afectando el funcionamiento de un motor de encendido por compresión. El menor poder calorífico del biodiesel limita el desarrollo de la potencia del motor, pero la eficiencia térmica aumenta porque la lubricidad y viscosidad del biodiesel son mayores, lo que disminuye las pérdidas por rozamiento en el sistema de inyección. Para finalizar se presentan cuatro tablas porcentuales, las cuales permiten determinar la variación de la potencia y eficiencia que un motor de encendido por compresión de aspiración natural puede desarrollar y el consumo específico y volumétrico de combustible para distintas mezclas diesel-biodiesel a diferentes altitudes sobre el nivel del mar. De esta manera, si un usuario peruano quiere ir en este momento a una ciudad como Huaraz que queda a 3000 metros de altura con combustible B5 puede saber que su motor estará limitado a desarrollar una potencia 35% menor que la nominal, con 20% menos de eficiencia, 45% más de consumo de combustible en masa y 44% de consumo de combustible en volumen. / Tesis

El presente trabajo de tesis realiza un análisis de la evaluación del consumo de combustible y emisiones de dos vehículos livianos, marca Kia Rio y motor de encendido por chispa, funcionando con dos mezclas de gasolina y etanol (E7,8 y E10). Uno de los vehículos transitó en Lima Metropolitana, mientras que el otro en la ciudad del Cusco. Ambos vehículos fueron instrumentados adecuadamente, para obtener un registro de las emisiones y trayectoria del circuito de conducción. Además, se obtuvo el valor promedio del consumo de combustible. Las pruebas fueron realizadas en diferentes días y horas. Con los resultados obtenidos durante los ensayos, tanto en Lima Metropolitana y Cusco, se puede inferir que el consumo de combustible aumenta de acuerdo al tráfico de la ciudad (+15%) y la altitud de la zona (+17,8%). Del mismo modo, mientras más se aumente el contenido de etanol a la mezcla, el consumo de combustible sufre un ligero incremento de 18%; ya que el etanol, a diferencia de la gasolina, posee un poder calorífico inferior; en tal sentido, el motor necesitará un mayor consumo de combustible para desarrollar la misma potencia. Con respecto a las emisiones gaseosas expulsadas por el vehículo, se observa un aumento de CO (+60%) y HC (+80%) debido a las condiciones de tráfico y un mayor consumo de combustible. Por otro lado, el incremento de etanol en la mezcla de combustible influyó que las emisiones de CO presentaran un descenso; caso contrario sucedió que las emisiones de NOX se incrementaran ligeramente. De igual forma, el efecto de altitud provocó menores emisiones de CO, NOX y HC en gramos por kilómetro, ya que en Cusco el porcentaje de oxígeno disminuye a 67% en volumen de aire a causa de la presión atmosférica que cae a 67,2 atm. Finalmente, las emisiones de CO2 no sufrieron mucha influencia por el aumento de etanol, ni por efecto de la altura. / Tesis

En los últimos años se han unido esfuerzos en la búsqueda y el aprovechamiento de fuentes de energía alternativa para la realización de diversas actividades tanto en el ámbito industrial como doméstico. Fuentes de energía alternativa que brinden una energía de calidad pero con bajos costos de obtención y de operación; esto debido, básicamente, al escaseo de los combustibles que comúnmente conocíamos y que veníamos utilizando. En este documento, el tema tocado es referido a la utilización del gas natural vehicular. El presente trabajo de tesis, está enfocado al proceso mismo de la conversión de los vehículos a gas natural, con la finalidad de presentar de manera ordenada los procedimientos de la misma, así como de los controles que deben realizarse antes de y luego de realizada la conversión. Este trabajo lo que busca es ser una base para iniciar, o continuar, ahondando en los efectos que produce sobre los diversos sistemas del vehículo convertido. Para la realización de este trabajo fue necesario realizar visitas a talleres de conversión dentro de la ciudad para consultar con los dueños y/o jefes de tales talleres la manera cómo llevan a cabo sus conversiones y algunos inconvenientes que se presentan durante este proceso. De esta manera, se puede obtener una visión de campo sobre el proceso de conversión; sin embargo, también ha sido necesaria la investigación de publicaciones de los enterados sobre el tema, así como, obtener normativa y legislación para entender qué es lo que se permite y qué lo que no en una conversión, de lo cual, un jefe de taller generalmente no comenta. Finalmente, se puede decir que, tanto el negocio de las conversiones como el de la utilización del gas natural en motores fabricados para tal, se les augura un buen futuro, por los ahorros percibidos por los usuarios, y por la calidad de las emisiones en los gases de escape; el único tema por resolver, es la manera en cómo se puede llevar a cabo una distribución masiva del gas para que no solamente usuarios de la ciudad de Lima puedan beneficiarse de su utilización. Asimismo, se puede decir que, finalmente la utilización del gas natural estaría destinada a aquellas personas cuyo recorrido anual sea un poco elevado debido a los costos que existen para la conversión y a que el ahorro de combustible es más percibido cuando se recorre más con el vehículo. / Tesis

Un motor Diesel funcionando en modo Diesel/gas y a cargas bajas tiende a disminuir su rendimiento y producir más emisiones de hidrocarburos (HC) y monóxido de carbono (CO) en los gases de escape, especialmente cuando se utilizan altas proporciones de sustitución de gas natural. Por tal motivo en esta investigación se utilizan dos técnicas para controlar las emisiones de estos contaminantes y mejorar el rendimiento efectivo del motor, la restricción parcial del aire de admisión, para producir una mezcla de gas natural-aire eficazmente rica y el incremento de la temperatura de la mezcla airegas natural, para promover una mejor combustión. Un motor Diesel adaptado a un banco de pruebas en el Laboratorio de Energía de la PUCP que funciona en modo diesel original y modo Diesel/gas natural se utiliza a través de la experimentación. Se analizan los parámetros del consumo específico de combustibles (diesel y gas), rendimiento efectivo, presión en el interior del cilindro y emisiones de HC, CO y óxidos de nitrógeno (NOx) en los gases de escape. Los ensayos son realizados en una amplia gama de condiciones de funcionamiento (velocidad del motor, carga y relación de sustitución Diesel/gas). La eficiencia efectiva y las emisiones de HC, CO y NOx del modo Diesel/gas se encuentra afectadas cuando se utiliza la restricción parcial de aire y una mayor temperatura de la mezcla aire - gas natural. Los resultados demuestran que es posible mejor las prestaciones del modo Diesel/gas en el uso de ambas técnicas. / Tesis

En la industria nacional, donde es predominante el uso de máquinas rotativas como turbinas, motores eléctricos, compresores, motores de combustión interna, etc, el fenómeno de las vibraciones es descubierto cuando ya estos están en operación. Las fuerzas y torques de excitación por más pequeñas que sean pueden producir vibraciones de amplitudes inadmisibles en zona de resonancia. El análisis de las vibraciones es muy importante más aun en maquinas reciprocantes donde es muy importante el análisis de vibración torsional, ya que nos hace ver la necesidad de usar algunas técnicas para controlar estas vibraciones. Técnicas como medios disipadores de energía o masas auxiliares acopladas al sistema, que sintonizados con la frecuencia de resonancia y aplicados en las zonas que presentan mayor amplitud de vibración correspondiente al modo de vibración, nos ayudarán a neutralizar las vibraciones que se presenten. El análisis del comportamiento de estos sistemas se hacen por lo general considerando los parámetros de inercia y rigidez constantes, los cuales son estudios válidos, sin embargo existen máquinas con mecanismos más complejos que exigen considerar el comportamiento periódico de sus parámetros, como es el caso del mecanismo biela manivela muy utilizado en la fabricación de máquinas; en esta tesis se tomó a consideración tal comportamiento y se diseñó un absorsor pendular basados en la metodología del diseño, normalizado según la norma alemana VDI, para obtener el diseño óptimo, además de analizar la efectividad en la reducción de la amplitud de vibración torsional de un motor de combustión interna de 2 cilindros en línea y 4 tiempos. Finalmente el desarrollo de esta tesis es una base para posteriores investigaciones donde habría que tomar en cuenta aspectos como la variación constante de la velocidad y la comparación de los resultados obtenidos por simulación numérica y datos experimentales medidos, que no se consideraron en esta tesis. / Tesis

El presente trabajo analiza el comportamiento de un motor estacionario de cuatro tiempos del ciclo Diesel, para lo cual se consideró tres regímenes de giro del motor (1000, 1500 y 2000 RPM) y para cada régimen de giro se varió tres veces la carga (40, 80 y 120 N-m). En dichas condiciones de funcionamiento se analizaron los parámetros de desempeño del motor, las curvas de presión dentro del cilindro en función de ángulo de giro del cigüeñal, la liberación de calor producida por la quema del combustible y el intercambio de calor a través de las paredes del cilindro. El estudio abarca la parte experimental y la parte del modelado termodinámico cerodimensional. En la parte experimental se realizaron mediciones con el objetivo de recolectar informaciones sobre la presión al interior del cilindro, el flujo de combustible, las temperaturas y presiones de los fluidos del motor y la emisión de gases contaminantes; con excepción de los contaminantes, los datos sirvieron como datos iniciales para la implementación del modelo cero-dimensional y a su vez de referente para poder hacer la validación del modelo. En la parte del modelado, fue necesario el uso de datos correspondientes a la geometría del motor, datos de operación del motor, datos de tiempos de combustión y datos del combustible utilizado. Por ser el modelo de tipo cero-dimensional, no fue posible validar los datos de emisión de contaminantes, pero si los fenómenos físicos como el calor liberado durante la combustión y el intercambio de calor entre los gases y la pared del cilindro. La presión se predice mediante la aplicación de la ley de gas ideal y la primera ley empleada en la liberación de calor, modelada con una función dupla de Wiebe. Los resultados experimentales y del modelado de la presente tesis se presentan de forma gráfica, superponiendo las curvas de liberación de calor y variación de presión al interior del cilindro en las distintas condiciones de operación del motor, comparando así el porcentaje de aproximación entre las curvas teóricas y las experimentales. También se representan, numérica y gráficamente, parámetros de importancia como el retraso al autoencendido, los tiempos de duración de la combustión, la presión sin combustión y la temperatura de los gases en el cilindro. / Tesis