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.

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

[ES] El continuo endurecimiento de las normativas que regulan las emisiones contaminantes de los motores de combustión ha obligado a su desarrollo ininterrumpido, buscando mejorar su consumo y reducir su impacto medioambiental. Esto ha provocado la introducción progresiva de sistemas de post-tratamiento de gases de escape en los motores de combustión a fin de limitar la emisión de sustancias contaminantes a la atmósfera. En el caso concreto de la emisión de partículas, se ha estandarizado el empleo de filtros de partículas de flujo de pared como solución tecnológica para el cumplimiento de las normativas vigentes tanto en motores diésel (DPF) como gasolina (GPF). Por el propio mecanismo de funcionamiento de estos filtros se produce una acumulación de hollín dentro y sobre sus paredes porosas. Esta acumulación tiene un gran efecto sobre el comportamiento fluidodinámico del filtro, afectando a la pérdida de presión y, de ahí, aumentando el consumo específico del motor. Por este motivo, y dada la limitada capacidad de acumulación del filtro, se realizan procesos de regeneración para eliminar las partículas de hollín almacenadas. Se recurre para ello a dos estrategias complementarias. Por un lado, se tienen las estrategias de regeneración activa, que se realizan de forma periódica, mediante un aporte externo de energía. De entre estas estrategias, el método más habitual es el uso de post-inyecciones de combustible. Por otro lado, existen estrategias pasivas, que conducen a la oxidación del hollín sin fuentes de energía externa y reducen la frecuencia de los eventos de regeneración activa. La definición de dichas estrategias, así como su control, requieren del uso de herramientas computacionales para lograr una mayor comprensión y permitir la optimización de estos procesos. En este contexto, la presente tesis doctoral ofrece una contribución al modelado de los procesos de regeneración. Parte importante de este trabajo ha consistido en el desarrollo y validación de un modelo de regeneración que se ha implementado en un modelo termofluidodinámico 1D de DPF ya existente. Esta herramienta se ha desarrollado proponiendo una definición detallada del mecanismo de oxidación de hollín, presentándose un análisis del efecto de las etapas que lo componen. El modelo propuesto también se ha adaptado para su uso en un modelo de valor medio de DPF, que junto al modelo de reactividad química de catalizadores de oxidación desarrollado en el contexto de esta tesis, ha sido empleado en el análisis de la influencia de la variación de los parámetros básicos de la estrategia de post-inyección sobre la regeneración del DPF. Por otra parte, es sabido que el balance entre las etapas de carga y regeneración del filtro determina la distribución de las partículas en su interior. Así, esta tesis se completa con un estudio acerca del efecto de la distribución de las partículas sobre el comportamiento del DPF y cómo la distribución no homogénea de las partículas en el filtro condiciona el proceso de regeneración activa, afectando también a las hipótesis a considerar para su correcto modelado. Como consecuencia de estos trabajos se ha definido un conjunto de herramientas computacionales que facilitan la comprensión de los procesos de regeneración y que son aplicables al amplio rango de casos de estudio considerados. / [CA] El continu enduriment de les normatives que regulen les emissions contaminants dels motors de combustió ha obligat al seu desenvolupament ininterromput, buscant millorar el seu consum i reduir el seu impacte mediambiental. Açò ha provocat la introducció progressiva de sistemes de post-tractament de gasos de fuga en els motors de combustió a fi de limitar l'emissió de substàncies contaminants a l'atmosfera. En el cas de l'emissió de partícules, s'ha estandarditzat l'utilització de filtres de partícules de flux de paret com a solució tecnològica per al compliment de les normatives vigents tant en motors dièsel (DPF) com gasolina (GPF). Pel propi mecanisme de funcionament estos filtres es produïx una acumulació de sutja dins i sobre les seues parets porosas. Esta acumulació té un gran efecte sobre el comportament fluidodinàmic del filtre, afectant la pèrdua de pressió i, d'aci, augmentant el consum específic del motor. Per este motiu, i per la limitada capacitat d'acumulació del filtre, es realitzen processos de regeneració per a eliminar les partícules de sutja emmagatzemades. Es recorre per a això a dos estratègies complemetaries. Per una banda, es tenen les estratègies de regeneració activa, que es realitzen de forma periòdica, per mitjà d'una aportació externa d'energia. D'entre estes estratègies, el mètode més habitual es l'ús de post-injeccions de combustible. D'altra banda, hi ha estratègies passives, que conduïxen a l'oxidació de la sutja sense fonts externes d'energia i reduïxen la freqüència dels esdeveniments de regeneració activa. La definició de les estratègies, així com el seu control, requerixen de l'ús de ferramentes computacionals per a aconseguir una mitjor comprensió i permetre l'optimització d'estos proccesos. En este context, la present tesi doctoral oferix una contribució al modelatge dels processos de regeneració. Part important d'este treball ha consistit en el desenvolupament i validació d'un model de regeneració que s'ha implementat en un model termofluidodinàmic 1D de DPF ja existent. Esta ferramenta s'ha desenvolupat proposant una definició detallada del mecanisme d'oxidació de sutja, presentant-se una anàlisi de l'efecte de les etapes que ho componen. El model proposat també s'ha adaptat per al seu ús en un model de valor mitjà de DPF, que junt amb el model de reactivitat química de catalitzadors d'oxidació desenvolupat en el context d'esta tesi, ha sigut empleat en l'anàlisi de la influència de la variació dels paràmetres bàsics de l'estratègia de post-injecció sobre la regeneració del DPF. D'altra banda, és sabut que el balanç entre les etapes de càrrega i regeneració del filtre determina la distribució de les partícules en el seu interior. Així, esta tesi es completa amb un estudi sobre l'efecte de la distribució de les partícules sobre el comportament del DPF i com la distribució no homogènia de les partícules en el filtre condiciona el procés de regeneració activa, afectant també les hipòtesis a considerar per al seu correcte modelatge. Com a conseqüència d'estos treballs s'ha definit un conjunt de ferramentes computacionals que faciliten la comprensió dels processos de regeneració i que són aplicables a l'ampli rang de casos d'estudi considerats. / [EN] The continuous tightening of emission regulations for internal combustion engines has forced their uninterrupted development, seeking to improve their fuel consumption and reduce their environmental impact. This fact has led to the progressive introduction of exhaust aftertreatment systems in combustion engines in order to limit the emission of polluting substances into the atmosphere. In the specific case of particle emission, the use of wall flow particle filters has been standardized as a technological solution to comply with current regulations both in diesel (DPF) and gasoline (GPF). The operating principle of these filters results in an accumulation of soot inside and on their porous walls. This accumulation has an important effect on the fluid-dynamic behavior of the filter, affecting the pressure drop and, hence, increasing the specific consumption of the engine. For this reason, and due to the limited accumulation capacity of the filter, regeneration processes are carried out to remove the stored soot particles, where two main strategies can be found. On the one hand, there are active regeneration strategies, that are performed periodically, through an external supply of energy. Among these strategies, the most common method is the use of post-injections. On the other hand, there are passive strategies that lead to soot oxidation without external energy sources and reduce the frequency of active regeneration events. The definition of the strategies, as well as their control, require the use of computational tools to achieve a comprehensive understanding and optimization of these processes. In this context, this doctoral thesis offers a contribution to the modeling of regeneration processes. An important part of this work was dedicated to the development and validation of a regeneration model that was implemented in an existing DPF thermofluid dynamic 1D model. This tool proposes a detailed definition of the soot oxidation mechanism, presenting an analysis of the effect of the steps that comprise it. The proposed model was also adapted for its use in a DPF mean value model and, together with the oxidation catalysts chemical reactivity model developed in the context of this thesis, has been used in the analysis of the influence of variation in the basic parameters of the post-injection strategy. Furthermore, it is known that the balance between the filter loading and regeneration stages determines the soot distribution. Thus, this thesis is completed with a study about the effect of the particle distribution on the behavior of the DPF and how the non-homogeneous distribution of the particles determines the active regeneration process, also affecting the hypotheses to be considered for its correct modeling. As a result of these studies, a set of computational tools was defined to allow the understanding of regeneration processes that are applicable in the wide range of case studies considered. / Sanchis Pacheco, EJ. (2019). Modelado de la oxidación del hollín en filtros de partículas diésel [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/120455

El incremento de la demanda de diesel, es uno de los principales problemas que viene teniendo el país, y es que el alto consumo de este combustible se encuentra principalmente en el transporte público, maquinaria pesada, generación de energía eléctrica entre otros. En este contexto, el uso de combustibles renovables y/o alternativos en motores Diesel sería una opción energética importante, ya sea para reducir el consumo del diesel tanto como disminuir su impacto ambiental. Este trabajo de tesis realizará un estudio experimental de la operación bi-combustible para el uso simultáneo de diesel y gas natural, utilizando un motor de encendido por compresión, seis cilindros, aplicación vehicular, que se encuentra en un banco de pruebas en el Laboratorio de Energía de la PUCP. Para el desarrollo del trabajo se implementó un sistema de inyección electrónica para el suministro de gas natural en el motor Diesel y el sistema de conversión Diesel/gas, de esta manera se evaluaron los puntos de la matriz de ensayos del motor, seleccionando tres regímenes de velocidad: 1400, 1600, 1800 rpm y cinco diferentes cargas: 20, 40, 60, 80, 100 Nm. Se alcanzó valores de sustitución de hasta 78,5% en la velocidad más baja y mínima carga que era lo esperado para esta experimentación, es importante mencionar que los valores de sustitución fueron limitados por la baja capacidad de flujo de los inyectores de gas utilizados. La reducción en las emisiones de NOx fueron notables para las mayores relaciones de sustitución llegando a casi una disminución del 52%, sin embargo, debido a las cargas bajas analizadas, las emisiones de CO y HC tuvieron un aumento considerable reflejando el menor aprovechamiento energético del gas natural en estas condiciones. Esto se comprobó con la caída del rendimiento efectivo.

Los motores de combustión interna son y seguirán siendo por los próximos años la principal forma de propulsión de los distintos tipos de vehículos, es por esto que se vienen desarrollando gran cantidad de actividades a nivel mundial con el desafío de mejorar la eficiencia, reducir las emisiones contaminantes y la adecuación de combustibles alternativos que no sean derivados del petróleo. Es en este escenario que se requiere de un adecuado entendimiento del fenómeno de combustión y con ello el modelado matemático de los procesos termodinámicos que suceden en los motores. A pesar que se han realizado estudios de los motores de combustión interna desde finales del siglo XIX, el ciclo de motor, en especial el proceso de combustión es considerado de alta complejidad, ya que conlleva la coexistencia de distintos fenómenos químicos y físicos. Estos estudios abarcan la cinética química de una gran cantidad de reacciones y distintos compuestos orgánicos, flujos multi-fásicos y turbulentos, así como las características de la velocidad y forma del frente de llama, los procesos de transferencia de calor, las características físico-químicas de los combustibles y la construcción y forma de la cámara de combustión, entre otras variables de estudio. Para poder contribuir con este tipo de estudios, a partir de la década de 1960, se comenzó a desarrollar en mayor medida modelos computacionales de simulación a partir de modelos termodinámicos que se vienen estudiando desde finales del siglo XIX. El desarrollo de estos modelos computacionales ha ayudado en el desarrollo de nuevas tecnologías en los motores, así como el estudio de la influencia en el desempeño y emisiones contaminantes con el uso de distintos tipos de combustibles, incluyendo combustibles alternativos como el etanol, o el biodiesel. El desarrollo de modelos computacionales ayudan en el desarrollo preliminar de nuevos combustibles y motores, ya que reducen de manera significativa el tiempo y dinero invertidos en ensayos experimentales, por lo que se convierten en una herramienta indispensable para el trabajo de empresas, universidades e instituciones que desarrollen este tipo de tecnología a nivel mundial. En el caso del Perú, al no ser un país con industria automotriz activa, el desarrollo de estos modelos computacionales para el desarrollo de tecnología en motores de combustión es muy escaso por lo que se puede decir que el presente trabajo pretende contribuir al cambio de ese escenario en el país. El uso de biocombustibles ha aumentado considerablemente a nivel mundial en el sector transporte, con el objetivo de reducir la dependencia de los derivados del petróleo y reducir las emisiones de CO2, principal responsable del efecto invernadero. En este contexto, el gobierno del Perú aprobó el reglamento de promoción del mercado de biocombustibles el año 2005 con el Decreto Supremo Nº 013-2005-EM, en el cual se indica que a partir del primero de enero del año 2010, se añada un porcentaje de 7,8% en volumen de etanol anhidro como mínimo a las gasolinas comercializadas a nivel nacional.

El uso de la metodología del Mantenimiento Centrado en la Confiabilidad (MCC o RCM) contempla no solamente el estudio del equipo como tal sino de los subsistemas que lo conforman y la interacción con el entorno físico que lo rodea. En esta tesis primero se realizó una adecuada identificación de los problemas que nos dificultan la maximización de la función de los motores a gas de dos tiempos a través del Análisis de modo, fallas, causas y efectos (AMEF). Al definirse los modos y las causas de las fallas se pudo establecer la criticidad de cada una ellas y el impacto en las metas de producción, mantenimiento, salud y medio ambiente; así como su priorización. Mediante el desarrollo de la metodología a lo largo del desarrollo del tema se determinaron las siguientes estrategias de mantenimiento para la eliminación de las causas de las fallas identificadas: optimización del mantenimiento preventivo, implementación de mantenimiento predictivo, optimización del cambio sistemático de componentes en función de la frecuencia de las fallas, implementación de inspecciones sensoriales por parte de los operadores, identificación de mejoras en las instalaciones a cargo de Ingeniería de Mantenimiento, identificación de repuestos críticos. Como resultado de la aplicación de la metodología se espera lograr incrementar la vida útil de los componentes de los equipos, así como la disponibilidad de los mismos al disminuir las fallas y sus consecuencias, incrementando así, las ventas por la recuperación de petróleo crudo a un menor costo de mantenimiento.

La descripción detallada de los procesos principales que se llevan a cabo en el taller de conversiones, tales como la recepción de vehículos, la evaluación de pre conversión, la conversión misma, la prueba de ruta y calibración, los planes de mantenimiento, reparaciones y seguridad, la facturación y la entrega de los vehículos terminados, disminuye el espacio a cometer errores por falta de conocimiento. El objetivo de lo mencionado anteriormente es dejar claro las funciones y los procedimientos que deben seguir cada una de las personas involucradas en el taller de conversiones implementado dentro de un taller automotriz ya existente. La determinación de las características del taller se llevó a cabo mediante el planteamiento de la capacidad operativa deseada del mismo durante los primeros meses de su funcionamiento. Considerando 40 conversiones para el primer mes de trabajo, se determinó que el espacio del piso de taller necesario para realizarlas es no menor a 430m2 dentro de un taller de más de 2700m2. Estos valores cumplen con la norma NTP 111.018 que enuncia las principales características con las que debe contar un taller de conversiones para ser certificado. Los trabajos a realizarse en cada zona de trabajo fueron especificados y éstas apropiadamente señalizadas para cumplir totalmente con la norma. Se definió cuales serán las tecnologías de los equipos a instalarse en los vehículos para los distintos tipos de conversiones disponibles. Asimismo se detalló una explicación técnica del funcionamiento de las herramientas y equipos que serán utilizados para la conversión y la evaluación de pre conversión de cada auto. Conociendo los equipos y herramientas requeridos, se determinó la necesidad de realizar instalaciones eléctricas adicionales a las existentes. La demanda de alimentación eléctrica de los equipos necesarios para realizar las conversiones, obliga a incluir en la inversión inicial el pago a un contratista para realizar cableados eléctricos e instalación de tableros adicionales necesarios para cubrir con la demanda del servicio (aproximadamente 36kW). Asimismo el uso de herramientas neumáticas obliga el contar con una compresora que alimente una línea de aire comprimido. El caudal necesario es de 20 l/s a una presión de 7 bares. La cantidad de mecánicos necesarios para el taller se define mediante el cálculo del número de horas operativas del taller mensuales y dividirla entre el número de horas efectivas necesarias para realizar una conversión. Se necesitan 3 equipos, de dos mecánicos cada uno, para lograr cumplir con la demanda de 40 conversiones mensuales. Adicionalmente un jefe de taller deberá llevar el control de las pruebas de ruta y las calibraciones realizadas. Un asesor de servicios capacitado apropiadamente para resolver cualquier tipo de duda sobre las conversiones se encargará de las recepciones y del cierre de las ordenes de trabajo facturables. El personal de logística y almacenes del taller será el mismo para la división de conversiones. Con una tasa de crecimiento de ventas de estimado de 3% mensual, se pudo proyectar el volumen de ventas para los próximos 5 años. Conociendo los datos de inversión inicial ($52.500,00) y la proyección de los ingresos y costos directos e indirectos, variables y fijos, según volumen de conversiones realizadas, se obtuvo márgenes positivos de flujo de caja que indican que la inversión sería recuperada durante el primer año de funcionamiento. Finalmente los valores del VPN y el TIR son de $2.536.074,00 y de 544% respectivamente, muestran una la alta rentabilidad al realizar del proyecto.

El incremento de la demanda de diesel, es uno de los principales problemas que viene teniendo el país, y es que el alto consumo de este combustible se encuentra principalmente en el transporte público, maquinaria pesada, generación de energía eléctrica entre otros. En este contexto, el uso de combustibles renovables y/o alternativos en motores Diesel sería una opción energética importante, ya sea para reducir el consumo del diesel tanto como disminuir su impacto ambiental. Este trabajo de tesis realizará un estudio experimental de la operación bi-combustible para el uso de biogás, utilizando un motor de encendido por compresión, seis cilindros, aplicación vehicular, que se encuentra en un banco de pruebas en el Laboratorio de Energía de la PUCP para la aplicación de generación de energía eléctrica en zonas rurales simulando un trabajo con grupos electrógenos movidos por motores Diesel

El diagnóstico de motores y mecanismos lubricados a partir del análisis de lubricante es una herramienta ampliamente empleada en la industria moderna. A partir de los diferentes ensayos de determinación de los parámetros físicos químicos del aceite es posible establecer tanto el grado de deterioro del fluido lubricante como el funcionamiento de la máquina lubricada, principalmente a partir de la determinación de metales de desgaste.En el trabajo desarrollado en la presente tesis doctoral se han estudiado las diferentes alternativas de análisis de metales, con la finalidad de mejorar los procesos existentes, permitiendo una determinación más próxima al contenido exacto de metales presente en la muestra y en consecuencia, posibilitando un diagnóstico precoz de posibles fallos.La determinación de metales mediante espectrometría de emisión de plasma (ICP-OES), que es la técnica generalizada de análisis, no es capaz de detectar el contenido metálico de partículas superiores a 5 micrómetros; los métodos de ataque ácido para diluir las partículas de mayor tamaño no son recomendables dado el elevado tiempo empleado durante el tratamiento y la peligrosidad de los reactivos empleados.La separación de partículas a través de la aplicación conjunta de un campo magnético y el filtrado a través de membranas se presenta como un método eficaz para determinar el contenido de metales en el aceite. A partir del estudio morfológico de las partículas es posible establecer qué tipos de fenómenos de desgaste ocurren así como la gravedad de los mismos.El método combinado de separación ha sido comparado frente a otros como la espectrometría de emisión de plasma, poniendo de manifiesto que es la herramienta más eficaz para la detección de fallos en mecanismos cuando éstos llevan asociados la generación de partículas de tamaños superiores a los 15 micrómetros. En último lugar se debe señalar que el método de separación propuesto es también aplicable a la detección de partículas en combustibles / Montoro Moreno, L. (2005). Contribución al desarrollo y mejora de técnicas para la detección y análisis de partículas metálicas y contaminantes en aceites lubricantes usados [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/1875

El trabajo desarrollado en la presente tesis está encaminado a estudiar los fenómenos de la transmisión de calor y balance térmico en los motores de combustión interna alternativos, tanto en el cilindro como en el sistema de refrigeración. El principal objetivo de la tesis ha sido la utilización y extensión de un programa computacional de predicción de temperaturas de paredes del motor y de dos programas comerciales de modelado de sistemas termohidráulicos para estudiar los flujos de calor dentro y fuera de la estructura del motor, para evaluar el balance térmico de los motores en estado estacionario y en condiciones transitorias y para modelar, simular y validar diseños nuevos de sistemas de refrigeración de motores para locomotoras. Para lograr este objetivo se han realizado varias tareas que se explican a lo largo de este documento, y que se sintetizan en una revisión de los modelos de transferencia de calor utilizados en los cálculos de flujos de calor en las diferentes condiciones de contorno presentes en los motores de combustión; la expansión de las capacidades de un modelo nodal para obtener de él los flujos de calor discriminados entre las partes metálicas del motor y los calores intercambiados entre los fluidos del sistema y las partes metálicas; el estudio experimental de la evolución de las temperaturas del motor durante el calentamiento bajo un ciclo de conducción con el fin de cuantificar el balance térmico en este modo de operación y proponer alternativas de bajo costo para mejorar ese tiempo de calentamiento; el modelado, simulación, validación y evaluación del impacto sobre el calentamiento, el consumo y las emisiones del motor, de alternativas propuestas en el diseño de los sistemas de refrigeración; y finalmente, la elaboración y aplicación de una metodología de prediseño, modelado y simulación de sistemas de refrigeración para aplicaciones especiales. / Romero Piedrahita, CA. (2009). Contribución al conocimiento del comportamiento térmico y la gestión térmica de los motores de combustión interna alternativos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/4923