[ES] Las amenazas a las que se enfrentan los motores de combustión interna, tales como emisiones contaminantes, agotamiento del petróleo o el auge de otros tipos de motores (vehículo eléctrico), vinculan el futuro de los vehículos propulsados por este tipo de motor a la mejora del mismo en cuanto a consumo de combustible y a emisiones contaminantes se refiere. Adicionalmente, la alta exigencia de la normativa actual y venidera está forzando a las empresas de automoción a centrarse en el desarrollo de estrategias innovadoras dirigidas a aumentar el rendimiento del motor con baja repercusión en emisiones contaminantes. Un primer paso para atajar esta problemática es centrarse en los procesos que ocurren en la cámara de combustión, que es la base del motor. Teniendo en cuenta este escenario, el objetivo principal del presente trabajo es evaluar y optimizar el ciclo indicado de un motor de combustión interna por medio de una herramienta termodinámica 0D. El acoplamiento de esta herramienta, previamente desarrollada en el grupo de trabajo, con un modelo de emisiones de \NOx{} y una herramienta de optimización, permite la evaluación del impacto sobre el rendimiento indicado de varios límites operacionales y procesos reales que tienen lugar en la cámara de combustión. En primer lugar, se ha evaluado el rendimiento indicado de diferentes ciclos ideales en los motores estudiados en el trabajo. Debido a que la diferencia entre ciclos ideales y reales es resultado de la existencia de varias imperfecciones, se ha realizado un estudio de sensibilidad de dichas imperfecciones para determinar cuáles son las que tienen mayor impacto sobre el rendimiento indicado. A continuación, se han buscado los ciclos teóricos óptimos, en este caso ya teniendo en cuenta los principales fenómenos que ocurren en el cilindro, para obtener la ley de combustión que maximiza el rendimiento indicado a la vez que cumple con diferentes restricciones mecánicas y límites de emisiones. En este análisis se concluye que la velocidad de combustión es el parámetro más importante a tener en cuenta. Con el fin de evaluar algunas técnicas experimentales comúnmente usadas para aumentar la velocidad de combustión, parámetro clave como se ha comentado, se han utilizado diferentes enfoques tales como balances globales de energía, división de pérdidas y diseños de experimentos. Las conclusiones extraídas de dichos análisis han sido usadas para optimizar experimentalmente la ley de combustión. La comparación entre esta optimización experimental y la teórica proporciona el impacto en el rendimiento indicado que supone la limitación en la velocidad de combustión impuesta por el motor analizado. Esta metodología actúa como una herramienta de análisis comparativo entre diferentes arquitecturas del motor, estableciendo el techo de eficiencia bajo las condiciones de operación consideradas, y con ello la ganancia máxima alcanzable por un hipotético motor perfecto. / [CA] Les amenaces a què s'enfronten els motors de combustió interna, com ara emissions contaminants, esgotament del petroli o motors alternatius (vehicle elèctric), vinculen el futur dels vehicles propulsats per aquest tipus de motor a la millora del mateix quant a consum de combustible i a emissions contaminants es refereix. Addicionalment, l'alta exigència de la normativa actual i venidora està forçant a les empreses d'automoció a centrar-se en el desenrotllament d'estratègies innovadores dirigides a augmentar el rendiment del motor amb baixa repercussió en emissions contaminants. Un primer pas per a atallar esta problemàtica és centrar-se en els processos que ocorren en la cambra de combustió, que és la base del motor. Tenint en compte aquest escenari, l'objectiu principal del present treball és avaluar i optimitzar el cicle indicat d'un motor de combustió interna per mitjà d'una ferramenta termodinàmica 0D. L'adaptament d'esta ferramenta, prèviament desenrotllada en el grup de treball, amb un model d'emissions de \NOx{} i una ferramenta d'optimització, permet l'avaluació de l'impacte sobre el rendiment indicat d'uns quants límits operacionals i processos reals que tenen lloc en la cambra de combustió. En primer lloc, s'ha avaluat el rendiment indicat de diferents cicles ideals en els motors estudiats en el treball. Pel fet que la diferència entre cicles ideals i reals és resultat de l'existència de diverses imperfeccions, s'ha realitzat un estudi de sensibilitat de les dites imperfeccions per a determinar quines són les que tenen major impacte sobre el rendiment indicat. A continuació, s'han buscat els cicles teòrics òptims, en aquest cas ja tenint en compte els principals fenòmens que ocorren en el cilindre, per a obtindre la llei de combustió que maximitza el rendiment indicat al mateix temps que compleix amb diferents restriccions mecàniques i límits d'emissions. En aquest anàlisi es conclou que la velocitat de combustió és el paràmetre més important a tindre en compte. A fi d'avaluar algunes tècniques experimentals comunament usades per a augmentar la velocitat de combustió, paràmetre clau com s'ha comentat, s'han utilitzat diferents enfocaments com ara balanços globals d'energia, divisió de pèrdues i dissenys d'experiments. Les conclusions extretes d'aquest anàlisi han sigut usades per a optimitzar experimentalment la llei de combustió. La comparació entre esta optimització experimental i la teòrica proporciona l'impacte en el rendiment indicat que suposa la limitació en la velocitat de combustió imposada pel motor analitzat. Esta metodologia actua com una ferramenta d'anàlisi comparativa entre diferents arquitectures del motor, establint el sostre d'eficiència davall les condicions d'operació considerades, i amb això el guany màxim abastable per un hipotètic motor perfecte. / [EN] Issues affecting internal combustion engines, such as pollutant emissions, oil depletion and the raising of alternative powertrains (full electric vehicle), link the future of vehicles powered by this type of powertrain to its improvement in terms of fuel consumption and pollutant emissions. Additionally, the high stringency of the current and upcoming legislation is forcing automotive manufacturers to focus on developing innovative engine strategies aimed to increase the efficiency with low penalty in emissions. A first step to tackle this issue is to focus on the processes occurring in the combustion chamber, which is the core of the engine. Taking into account this scenario, the main objective of the present work is to assess and optimize the indicated cycle of an internal combustion engine based on a zero-dimensional thermodynamic tool. The coupling of this tool, previously developed in the work group, with a \NOx{} emissions model and an optimization tool allows evaluating the impact on gross indicated efficiency of several operational limits and real processes taking place in the combustion chamber. Thus, the first step was the assessment of the indicated efficiency of some ideal cycles in the engines studied in the work. Since the difference between ideal and real cycles is due to the existence of some imperfections, a sensitivity study of these imperfections is carried out to determine the ones with the highest impact on gross indicated efficiency. Later on, the optimum theoretical cycles have been searched for, now taking into account the main phenomena occurring in the cylinder, to get the combustion profile that maximizes the indicated efficiency while keeping some mechanical restrictions and emission limits. In this analysis, the combustion velocity raised as the most important parameter to take into account. In order to assess some experimental techniques commonly used to enhance the combustion velocity, key parameter as commented, different approaches such as Global Energy Balance, split of losses and the use of design of experiments have been conducted. The conclusions extracted from these analysis have been used to optimize experimentally the combustion law. The comparison between this experimental optimization and the theoretical one provides the impact on gross indicated efficiency of the combustion velocity limitation imposed by the engine hardware. This methodology acts as a benchmarking tool between different hardware architectures, setting the efficiency ceiling of the considered operating point, and thus the maximum gain achievable by implementing an hypothetical perfect hardware. / Blanco Cavero, D. (2018). Assessment and optimization of the indicated cycle with a 0D thermodynamic model [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/115934

Ingeniero Civil Mecánico / El presente trabajo de título tiene como objetivo estudiar el comportamiento térmico y el diseño de un intercambiador de calor plano dispuestos en estructuras termo-activas en el contexto de túneles, específicamente en el túnel de la Línea 4 del Metro de Santiago. Es decir, estudiar el comportamiento de tubos por el que circula un refrigerante, los cuales se introducen en la estructura de concreto (estructura termo-activa) que sostiene el túnel en el momento de su construcción. La gran ventaja de este sistema es que no se tienen costos de perforación o construcción de la estructura termo-activa ya que los tubos se instalan antes de que sea vertido el concreto y luego es el mismo concreto el que le da soporte a los tubos. Y al mismo tiempo la estructura de concreto, que está rodeada de alguna fuente de calor, transmite esa energía al fluido refrigerante que circula por el tubo. En el caso del presente estudio se modela un serpentín de tubos en zig-zag embebido en la estructura de concreto que le da soporte al túnel de la línea 4 del Metro de Santiago, específicamente en el tramo comprendido entre la estación Tobalaba y la estación Grecia. Por lo tanto el modelo tiene las dimensiones de dicho túnel, considera las condiciones ambientales dentro del túnel y las características propias del suelo donde se encuentra ubicado. El estudio considera solo absorción de calor, por lo que solo sirve para calefacción. Esto debido a que la temperatura promedio del aire al interior del túnel es de 20°C en invierno y 30°C en verano. Por lo tanto el líquido refrigerante que circula por los tubos embebidos, en este caso agua, absorbe calor desde dos fuentes, el suelo que rodea la estructura de concreto por el exterior y la otra fuente es el aire caliente que circula dentro del túnel. Al analizar los resultados obtenidos de la modelaciones se puede observar la importancia de la separación con que se instalan los tubos y la velocidad de flujo del refrigerante. La separación de tubos incide directamente con la cantidad de metros de tubo instalado y por consiguiente la cantidad de área de transferencia. Para velocidades altas de flujo de refrigerante aumenta la transferencia por convección debido a dos cosas, el aumento de flujo másico y el aumento de la turbulencia. Como resultado final se obtiene que con 10 metros de túnel, en invierno se puede llegar a absorber 6.900 [W] y en verano 10.300 [W], de los cuales en promedio el 75% provienen del aire caliente del túnel. Además se obtiene que en un kilómetro de túnel se puede llegar a reducir la temperatura del aire 5°C en invierno y 8°C en verano.

El presente trabajo consiste en el estudio numérico del confinamiento de un campo de alta temperatura, producido por una fuente de calor intenso, por medio de cortinas de aire tipo doble jet-doble flujo (DJ-DF), emulando las condiciones de operación de la instalación experimental construida en el marco del proyecto Fondecyt 1040498. Para este efecto se utilizó el modelo de turbulencia Reynolds Stress Model (RSM). El diseño de un dispositivo de confinamiento de escalares activos mediante cortinas de aire y la simulación numérica de sus condiciones de operación con modelos turbulentos de orden superior han motivado este estudio, cuyo objetivo ulterior es proponer soluciones para la seguridad en túneles viales. La eficacia de confinamiento por barreras gaseosas abre las puertas para diseñar su aplicación tecnológica en el campo de la seguridad dentro de túneles viales, en los cuales se busca controlar el transporte de calor y los gases tóxicos producidos en caso de incendio. La atención del estudió se centró tanto en las cortinas como en el comportamiento global del dispositivo. Simulaciones isotérmicas y no-isotérmicas fueron realizadas. Se efectuó una comparación del modelo RSM con los modelos k- standard y V2F. Se realizaron simulaciones no-isotérmicas considerando diferentes condiciones de operación del dispositivo, variando los parámetros relevantes que gobiernan los fenómenos estudiados (número de Reynolds, potencia térmica). Estas comparaciones fueron complementadas con mediciones de temperatura obtenidas de la instalación experimental. Por último, se varió el dominio de cálculo de las simulaciones: se realizó una simulación tridimensional del dispositivo y se realizó una simulación bidimensional, pero disminuyendo el largo de los circuitos de recirculación. Las simulaciones permitieron caracterizar las distintas zonas de las cortinas DJ-DF. En las zonas cerca de las boquillas de salida las cortinas se comportan como doble jet, pero aguas abajo se comportan como un jet plano simple. Los términos de transferencia de calor turbulento permitieron identificar las zonas de inhibición y transferencia de calor por estos mecanismos. Se observó que las capas de mezcla y la zona de impacto favorecen de manera importante el transporte de calor turbulento. Al aumentar el número de Reynolds de las cortinas se obtuvo una disminución de la actividad turbulenta en el eje de la cortina favoreciendo así el confinamiento. Se concluye que el modelo RSM se adapta mejor que los modelos citados, justificando el aumento de los recursos computacionales por la calidad de los resultados. Las simulaciones 3D indican cambios poco significativos en el comportamiento de las cortinas con respecto a los 2D, sin embargo, se predicen temperaturas mayores en la zona confinada debido a efectos radiativos en las paredes laterales. Las cortinas son en esencia bidimensionales y los efectos 3D se limitan a la zona próxima al penacho generado por la fuente térmica. La disminución de la longitud de los circuitos de recirculación del dispositivo no afecta la habilidad de confinamiento de las cortinas, pero produce un aumento global de la temperatura en la zona confinada. Dada la dispersión de los resultados al comparar el campo térmico experimental, etapas futuras de investigación numérica deben considerar las pérdidas de calor por las paredes (no adiabaticidad). Además, si se desea simular condiciones reales de incendio dentro del dispositivo, el modelo de radiación ocupado debe considerar el efecto radiativo que produce el humo dentro del túnel, que debería afectar la temperatura y dinámica de los flujos.

Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Fluidodinámica / En este trabajo se presenta el problema del transporte de calor y masa para un sistema compuesto de dos fases fluidas en un medio poroso, el cual puede ser relevante en el uso de CO2 como fluido de trabajo en reservorios geotermales. El medio poroso fue modelado usando una celda Hele-Shaw, la cual es ampliamente usada para la visualización del transporte de escalares. Los objetivos de este trabajo son (a) investigar teórica y numéricamente las leyes de escalamiento que gobiernan los procesos de mezcla en un medio poroso, y (b) visualizar los procesos de transporte usando celdas Hele-Shaw y avanzadas técnicas de segmentación de imágenes. El modelo derivado es una extensión de la ecuación de Polubarinova-Kochina, la cual es válida para regímenes de flujos altos en medios porosos. El transporte de calor y masa en un medio poroso es gobernado por el número de Nusselt Nu' y la tasa de disipación media escalar h"'i_ = `mix/L , donde `mix es la longitud de mezcla y L es la longitud horizontal de la celda . La principal contribución de este trabajo es la demostración de la existencia de los escalamientos hNu'i_ _ Ran(_) ' y h"'i_ _ Ram(_) ' , respectivamente, donde Ra' es el número de Rayleigh sujeto a la definición del escalar ' , el cual puede ser temperatura o concentración, y _ es el cociente entre el espaciamiento de la celda y su altura. Ambas cantidades se relacionan a través del modelo hNu'i_ = _(_2Ra', _)Ra' h"'i_ , donde _ contiene información de los efectos de difusión lateral de mezcla. Esta contribución extiende los resultados más recientes publicados en la literatura. Dada la importancia del parámetro adimensional _ en la escala de laboratorio, se realizó un detallado análisis lineal de la convección termal y la inestabilidad de Rayleigh-Taylor, incorporando efectos de tensión interfacial ya que el CO2 es un fluido parcialmente miscible con el agua. Los resultados obtenidos usando métodos asintóticos corrigen los análisis descritos en la literatura, así como también entregan nuevas evidencias de que el inicio de la inestabilidad de Rayleigh-Taylor depende completamente de los efectos interfaciales de la mezcla. Finalmente, para visualizar el transporte escalar, se realizaron experimentos de convección termal y mezcla por contraste de densidad. Se usaron técnicas de atenuación de luz y Schlieren sintético, además de métodos de segmentación de imágenes basados en principios variacionales, los cuales permitieron obtener interesantes resultados visuales del proceso de transporte. Se demostró que la aplicación del método optical flow permite reconstruir el mapa de temperaturas en celdas Hele-Shaw con una mejor resolución de imagen que el algoritmo PIV digital, obteniendo resultados acordes a lo esperando en sistemas geotermales sedimentarios. Además, se muestra experimentalmente que el uso de segmentación multifase es ideal para calcular propiedades físicas del proceso de mezcla, además de cantidades relacionadas con el transporte escalar, sin conocer a priori los valores de cantidades físicas tales como la densidad y velocidad de flujo

En la actualidad, los desarrollos en el campo de los motores de combusti on interna alternativos est an principalmente dirigidos al aumento de la e ciencia energ etica y a la reducci on de las emisiones contaminantes. La consecuci on de este ultimo objetivo, marcado por las normativas que limitan las emisiones de contaminantes, ha forzado a la instalaci on progresiva de sistemas de post-tratamiento de gases de escape. Atendiendo a la emisi on de part culas, el ltro de part culas di esel se ha convertido en un elemento indispensable y completamente estandarizado en las l neas de escape de los motores Diesel. Tradicionalmente, los sistemas de post-tratamiento se encuentran localizados en las l neas de escape aguas abajo de la turbina de sobrealimentaci on. Esto limita el nivel t ermico en los sistemas de post-tratamiento, lo que afecta a la e ciencia de conversi on del DOC tras el arranque del motor o en condiciones de bajo grado de carga, as como a la capacidad de regeneraci on pasiva del DPF. Adem as, a medida que se produce la acumulaci on de holl n en este, el consumo del motor se ve perjudicado. A n de contribuir a mitigar estas respuestas, se propone la ubicaci on del sistema de post-tratamiento, en concreto DOC y DPF, aguas arriba de la turbina. Por este motivo, el objetivo principal de la presente tesis doctoral ha sido la evaluaci on de las interacciones del sistema de post-tratamiento en con guraci on pre-turbo con el motor Diesel. Para alcanzar este objetivo se hace necesario el uso combinado de t ecnicas de modelado y experimentales. Con respecto a la primera de ellas, se ha tomado como base un modelo de acci on de ondas que permite el c alculo de la respuesta del motor en funci on de la ubicaci on del sistema de post-tratamiento. Para el uso able del modelo con ubicaci on pre-turbo del sistema de post-tratamiento, es necesaria la correcta predicci on de la temperatura a lo largo del DPF tanto en condiciones estacionarias como transitorias, as como tener en cuenta en el c alculo diferentes niveles de acumulaci on de holl n. Por esta raz on, parte importante del trabajo ha estado dirigido a la mejora del modelo de ltros de part culas di esel de ujo de pared previamente desarrollado en aspectos b asicos, realizando aportaciones en aspectos tales como la predicci on del comportamiento t ermico y de p erdida de presi on en condiciones de acumulaci on de holl n. Con el n de con rmar los resultados aportados por el modelo, se ha realizado una evaluaci on experimental de la con guraci on pre-turbo del sistema de post-tratamiento en un motor Diesel turbosobrealimentado. Este trabajo ha permitido analizar las prestaciones del motor en condiciones de operaci on estacionaria y transitoria as como cuanti car los efectos de la ubicaci on del sistema de post-tratamiento sobre las emisiones contaminantes, la e ciencia de ltrado y la capacidad de regeneraci on pasiva del DPF o la e ciencia de conversi on del DOC. Fruto de estos trabajos se ha obtenido una evaluaci on rigurosa de los efectos que sobre el motor tiene el instalar los sistemas de post-tratamiento en con guraci on preturbo, con rmando las ventajas que ofrece esta arquitectura de la l nea de escape y describiendo soluciones para las debilidades que pueda presentar. / García Afonso, Ó. (2013). Análisis teórico-experimental de la arquitectura pre-turbo de sistemas de post-tratamiento en MCIA [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/34178

Un modelo de simulación presenta muchas ventajas en el campo del desarrollo de motores de combustión interna alternativos. Su utilidad es doble. Por un lado, para entender la naturaleza de los fenómenos físicos que suceden en el interior del motor, y por otro, con el fin de optimizar el diseño de los sistemas que integran el mismo. El principal objetivo de esta tesis es desarrollar un modelo de un motor de dos tiempos de 125 cc de altas prestaciones para caracterizar la fluidodinámica interna en los sistemas de admisión, cilindro y escape. Para la construcción del modelo unidimensional del motor es imprescindible conocer información experimental. Por tanto, se han caracterizado de forma experimental los elementos que forman el motor. Por una parte, se ha usado un banco de impulsos para la caracterización dinámica. Por otra parte, se ha empleado un banco de flujo para caracterizar las pérdidas de presión en los elementos. Además, en banco motor, se ha analizado el proceso de combustión, con el objetivo de determinar la ley de liberación de calor. En relación a las tareas de modelado, se ha usado un modelo de diagnóstico para caracterizar del proceso de combustión, experimentando 37 condiciones de operación modificando el régimen de giro, el avance del encendido y usando cinco sistemas de escape. Asimismo, con el fin de poder reproducir el fenómeno de propagación de ondas en el interior del sistema de escape se ha propuesto un modelo de transmisión de calor ya que los modelos convencionales usados en motores de 4T no proporcionan resultados precisos al no contemplar los fenómenos físicos que suceden en el proceso de escape espontáneo de un motor de 2T de estas características. Para ello, se ha caracterizado experimentalmente el fenómeno de propagación de ondas en el interior del sistema de escape midiendo con diversos transductores de presión a lo largo de: un escape de diámetro constante y recto, y varios sistemas de escape derivados del original del motor. El primero se usó para proceder al necesario ajuste de las constantes del modelo mientras que los segundos para realizar la validación del mismo. Para el desarrollo del modelo de transmisión de calor se han contemplado las fluctuaciones de la velocidad instantánea del fluido y la disipación de la turbulencia con una longitud de entrada. Una vez es construido el modelo unidimensional del motor con capacidad de reproducir los complejos fenómenos ondulatorios que existen en el interior de los sistemas de admisión, cilindro y escape, es necesario desarrollar correlaciones para los parámetros que definen la función de Wiebe, usada como ley de liberación de calor en el cilindro. Se ha correlacionado la variación de estos parámetros (en particular, la duración de la combustión y el parámetro de forma) con variables de funcionamiento del motor: régimen de giro y avance del encendido, y variables que se calculan en el modelo: fracción de residuales y densidad de la carga. De esta forma se dispone de un modelo predictivo de las prestaciones del motor si se conoce una correlación para las pérdidas mecánicas, que también ha sido obtenida. El uso del modelo de transmisión de calor propuesto en este trabajo reproduce con precisión la fase y amplitud de la presión de escape con valores inferiores al 1% al comparar el coeficiente de admisión medido y modelado. Las diferencias pueden alcanzar el 7% si se emplean otros modelos encontrados en la literatura. Por otra parte, los resultados obtenidos al usar las correlaciones para la combustión se traducen en: diferencias inferiores al 1.5% entre potencia medida y modelada para todas las condiciones de funcionamiento del motor si el proceso de combustión presenta un coeficiente de variación en la presión del cilindro inferior al 2.5%. Cuando el coeficiente de variación aumenta, debido a la dispersión cíclica, las diferencias entre potencia medida y modelada pueden alcanzar el 4%. Palabras clave: Motores de Combustión Interna Alternativos, Motor de Dos Tiempos, Altas Prestaciones, Instalaciones Experimentales y Medición, Modelado Unidimensional, Modelo de Acción de Ondas, Proceso de Combustión, Transmisión de Calor. / Jiménez Macedo, VD. (2013). Contribución al modelado unidimensional en motores de dos tiempos de altas prestaciones [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/30773