Autor no autoriza el acceso a texto completo de su documento hasta el 01/12/2019. / Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Ingeniero Civil Mecánico / El objetivo principal del presente estudio es analizar de manera cuantitativa los efectos del índice de oxígeno (OI) en una llama de difusión laminar inversa de etileno, en términos de la producción de hollín, su temperatura, la radiación emitida por la llama y su altura. El OI se define como la fracción molar de oxígeno en el flujo de oxidante y fue variado desde 17% hasta 37%. Para el estudio se escogió un flujo de combustible constante de 2.7 slpm y de aire de 2.2 slpm donde los cambios en el OI se consiguieron dopando aire del laboratorio con oxígeno para OI>21% y con nitrógeno para OI<21%. La altura de la llama se midió mediante la emisión espontánea de radicales CH* y se encontró que la altura de la zona de reacción disminuye a medida que el OI aumenta, a diferencia de la altura de la zona luminosa que aumenta debido a que el hollín continúa formándose más allá de la zona de reacción. Los perfiles radiales de fracción en volumen y temperatura de hollín fueron calculados en base a la metodología de Absorción y Emisión Modulada (MAE) a través de un posterior proceso de deconvolución y regularización. A medida que el OI se incrementa, la fracción en volumen de hollín aumenta debido a que los procesos de formación del hollín se ven favorecidos y continúan por sobre la altura de la zona de reacción de la llama, dadas las condiciones de temperatura. Sin embargo los procesos de oxidación no parecen verse afectados de manera apreciable para las condiciones estudiadas. Por lo anterior se producen mayores cantidades locales de hollín, alcanzando 3.5 ppm para OI de 37%, y también globales, cuantificadas a través de la fracción en volumen integrada con valores máximos de 3 (x 10^{-10} m^2). Por lo mismo, debido a que la cantidad de hollín y la transferencia de calor por radiación están relacionadas, la potencia radiativa de la llama se ve aumentada a medida que crece el OI. Comparando llamas normales e inversas de geometría y energía emitida similar, se puede observar que la cantidad total de hollín generada en una llama inversa es menor que en llamas normales, acentuándose la diferencia en condiciones cercanas a las ambientales. Además, el calor liberado por radiación es menor en llamas inversas para condiciones de OI bajo. Por último, la influencia del OI sobre la altura de la zona de reacción de la llama es mucho mayor en llamas normales, donde la disminución fue de un 50% comparado con un 10% en llamas inversas.

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

El proceso de combustión es una de las fuentes principales de ruido de los motores Diesel, debido al incremento brusco de la presión que provoca el autoencendido en la cámara de combustión. Este rápido incremento origina un proceso de oscilación de los gases quemados en la cámara de combustión, conocido como fenómeno de resonancia, que se transmite a través del bloque, empeorando la calidad acústica del motor. Existen numerosos procedimientos experimentales, orientados al estudio del ruido provocado por el proceso de combustión de motores Diesel. Sin embargo, su aplicación en el diseño de cámaras de combustión no es idónea, por el coste que supone realizar los prototipos, el montaje y las medidas. Frente a los métodos experimentales, los métodos teóricos son más rápidos y tienen la capacidad de obtener gran cantidad de información espacial y temporal del fenómeno de resonancia. Se emplean principalmente el método de la teoría modal y el método CFD (Computational Fluid Dynamics). El primero permite estimar el comportamiento de los modos de oscilación, pero su uso se limita a cámaras de combustión de geometría cilíndrica. En cuanto al método CFD, puede utilizarse en cámaras de cualquier geometría, sin embargo la predicción de los efectos locales de presión, estimados por los modelos de combustión, no es coherentes con los niveles de oscilación del autoencendido. La presente tesis contribuye al desarrollo de una metodología que mejore los métodos teórico-numéricos, superando sus limitaciones geométricas y predictivas. Esta metodología consiste en simular las condiciones termodinámicas del autoencendido, a partir de focos de presión y temperatura en instante temporal, sin considerar el proceso reactivo de la mezcla aire-combustible. En la primera parte de esta tesis, con la finalidad de simplificar las simulaciones se asume que el proceso de combustión se produce en el punto muerto superior, sin considerar el movimiento del pistón. En base a esta suposición, se estu / Donayre Ramírez, JC. (2012). Estudio CFD de la resonancia en la cámara de combustión de Motores Diesel HDI [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/18292

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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