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 no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/4923 / Palancia

Las emisiones contaminantes hacia la atmósfera, en parte debidas a los motores de combustión interna utilizados en el transporte, es una de las mayores preocupaciones de nuestra sociedad. En el caso de los motores diesel, las especies contaminantes son el monóxido de carbono, los hidrocarburos sin quemar y, principalmente, los óxidos de nitrógeno (NOx) y las partículas de hollín. Estas últimas son el producto de un complejo balance entre su formación y su oxidación. Una vía de futuro es conseguir una combustión por difusión de baja temperatura, intrínsecamente de muy baja formación de hollín. Tanto la formación como la oxidación del hollín dependen directamente del proceso de mezcla. En efecto, el parámetro principal que parece controlar el proceso de formación de hollín es la cantidad de oxígeno englobado por el chorro de combustible en la distancia entre el inyector y el inicio de la llama (lift-off). Al acelerar la mezcla aire-combustible aumentando la presión de inyección y reduciendo fuertemente el diámetro de los orificios del inyector se ha visto que se puede conseguir una combustión por difusión rápida y sin formación de hollín. No obstante, se conoce muy poco sobre el comportamiento del lift-off y del resto del proceso de formación de hollín en condición de combustión de baja temperatura, con baja concentración de oxígeno. El objetivo principal del trabajo es profundizar en la comprensión de estos procesos. Para lograrlo, se ha definido cuatro objetivos particulares: * Caracterizar el efecto de la concentración de oxígeno sobre el lift-off. * Caracterizar las consecuencias sobre el proceso de formación de hollín. * Cuantificar el impacto del aumento de la presión de inyección y del uso de orificios de inyección extremadamente pequeños sobre los dos puntos anteriores. * Para ello, se debe desarrollar: o una metodología de medida simultánea del lift-off y de la concentración de hollín en la llama basada en diferentes técnicas de visualización de ............ / Monin, C. (2009). Caracterización del proceso de formación de hollín en una llama de difusión diesel de baja temperatura [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/6161 / Palancia

Pese al desarrollo de los filtros de partículas Diesel en la década de los 80, no ha sido hasta la actualidad cuando se ha generalizado el uso de estos sistemas como solución tecnológica para la reducción de la emisión de partículas. Las razones hay que encontrarlas en la creciente presión de las normativas anti-contaminantes presentes y futuras, cercanas al límite tecnológico de otro tipo de soluciones basadas en el control del proceso de combustión. Este renovado interés por los filtros de partículas Diesel requiere por parte de los investigadores iniciar estudios experimentales y teóricos para optimizar tanto las prestaciones del filtro como su acoplamiento con el motor. Desde el punto de vista teórico, este doble objetivo puede ser alcanzado con el uso de una única herramienta de cálculo unidimensional, los modelos de acción de ondas. Comúnmente utilizados para el estudio de la renovación de la carga de los motores de combustión interna alternativos, su extensión al análisis de sistemas de post-tratamiento requiere del desarrollo de herramientas específicas para su plena adaptación; el transporte de especies químicas a través de todo el motor o la optimización de la metodología de cálculo para reducir el coste computacional haciendo independiente el asociado a cada elemento del modelo son los principales aspectos tratados. Se converge así a un modelo de acción de ondas con capacidad de acometer el cálculo de todos los procesos físico-químicos de los sistemas de post-tratamiento. Por otra parte, un aspecto clave ha de ser alcanzar la capacidad de flexibilizar el modelo al análisis de cualquier arquitectura de la línea de escape garantizando una adecuada interacción del filtro de partículas con el resto de componentes del motor. Para ello resulta conveniente que en el filtro de partículas se trate al flujo como no-estacionario, unidimensional, compresible y no-homoentrópico. Con estas características se presenta el modelo propuesto en este trabajo. / Piqueras Cabrera, P. (2010). Contribución al modelado termofluidodinámico de filtros de partículas Diesel de flujo de pared [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/7341 / Palancia

El objetivo de esta tesis doctoral ha sido el desarrollo de metodologías completas para la caracterización experimental de los procesos de inyección de combustible, evaporación y formación de mezcla, autoencendido y combustión en toberas reales de múltiples orificios de motores Diesel. Para el logro del objetivo se han implementado diferentes técnicas de visualización y se han desarrollado los algoritmos para el procesado automático de las imágenes. El estudio de visualización del chorro líquido, en instalaciones experimentales de uno o más accesos ópticos amplios, se ha centrado en el análisis del efecto de la configuración opto-electrónica sobre la calidad de las imágenes, y se han diseñado y evaluado nuevos algoritmos de procesado. Como aportación innovadora se ha generalizado el algoritmo de segmentación LRT para el caso de distribuciones no normales. Para el estudio de la evaporación de chorros, reactivos o inertes, se implementaron las técnicas de Schlieren y Shadowgraph en dos variantes básicas según la disponibilidad de accesos: método de transmisión y método de doble paso. Se realizó un estudio teórico-experimental completo, con la finalidad de precisar las variables que afectan la sensibilidad e identificar las principales fuentes de error en el análisis de la imagen. Los algoritmos propuestos toman como base los de segmentación de chorro líquido con pequeñas modificaciones en el cálculo del nivel digital umbral. El estudio del autoencendido y combustión se llevó a cabo mediante el registro de la emisión natural de quimioluminiscencia de los radicales CH y OH y de la radiación térmica del hollín. Se analiza en detalle la sensibilidad del método de análisis a la configuración del instrumental de adquisición y se plantea una metodología de análisis basada en el estudio estadístico de las distribuciones espaciales de intensidad. / Zapata Pemberthy, LD. (2010). Caracterización de los procesos de Inyección-Combustión Diesel mediante visualización y procesado digital de imágenes [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8192 / Palancia

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 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.

Esta Tesis se centra en el desarrollo e implementación de métodos eficaces para el diseño y modelado acústico de la línea de escape de motores de combustión, y en concreto, de dos de sus componentes más relevantes desde el punto de vista de control de emisiones sonoras, como son los silenciadores y los catalizadores. Por ello, se realiza una revisión bibliográfica de los modelos unidimensionales y la representación matricial asociada. También se lleva a cabo una revisión de la literatura existente en cuanto a la caracterización de elementos perforados, materiales absorbentes y monolitos. Las limitaciones y deficiencias encontradas en los modelos de onda plana evidencian la necesidad de disponer de herramientas de modelado multidimensional, válidas a altas frecuencias y para geometrías de silenciadores y catalizadores sin dimensiones predominantes. Se aplica el método de elementos finitos a la resolución de la ecuación de ondas convectiva, mediante la formulación en presión, en el interior de silenciadores con material absorbente. Se estudia detalladamente el acoplamiento entre subdominios conectados mediante elementos perforados en el interior del silenciador. También se analiza el efecto del flujo medio en la impedancia acústica, prestando especial atención a las diferentes condiciones a satisfacer por el campo acústico. Por ello, se aplican las condiciones de continuidad de velocidad y desplazamiento y se comparan los resultados proporcionados por ambas con medidas experimentales. La capacidad que posee el método de elementos finitos para abordar geometrías arbitrarias es el motivo por el que también se aplica dicho método en el modelado acústico de catalizadores comerciales de automoción. / Antebas -, A. (2010). Contribución al modelado acústico de la línea de escape en motores de combustión. Aplicación a silenciadores y catalizadores [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8409 / Palancia