Análisis termodinámico y optimización de diferentes configuraciones de ciclos de eyección equipados en un motor de automóvil

Abstract

[ES] Actualmente, el campo de investigación de los motores de combustión interna alternativos se encuentra orientado hacia la mejora de la eficiencia energética y la reducción de emisiones contaminantes, debido a la cada vez más estricta normativa relacionada con cuestiones medioambientales. Una posible solución que mejora la actuación del motor en dichos aspectos es la equipación de un sistema de refrigeración acoplado al motor, con la finalidad de enfriar los gases de entrada al mismo lo máximo posible, siempre por encima de 0ºC para evitar la congelación del agua que pudiera haber en el ambiente y la consecuente obstrucción que generaría el hielo. De los diferentes tipos de sistemas de refrigeración, los que hacen uso de ciclos de eyección presentan una gran alternativa a los sistemas clásicos, debido a su fácil instalación y bajo coste. Dichos sistemas acoplados al motor son sustentados por la energía térmica residual de los gases de escape, que de otra manera sería desaprovechada. El principal problema de los ciclos de eyección es la caída en las prestaciones al trabajar en condiciones “fuera de diseño”, ya que el eyector, principal elemento del ciclo de eyección, presenta una geometría fija optimizada para unas condiciones determinadas, denominadas “de diseño”. En este proyecto, el estudio se realiza sobre un motor diesel de automóvil, cuyas condiciones de funcionamiento cambian constantemente durante su funcionamiento, por lo que las prestaciones del sistema de refrigeración se degradan en la mayoría de casos. De esta manera, en el presente proyecto se estudia y cuantifica la caída en las prestaciones al utilizar el ciclo de eyección convencional en condiciones fuera de diseño. Además, se estudian dos nuevas configuraciones de ciclos de eyección con el objetivo de mejorar dicho comportamiento desfavorable, añadiendo un compresor en una y acoplando un ciclo de compresión de vapor en otra. A lo largo del proyecto se abordan todas etapas necesarias para el análisis y optimización de los sistemas: se desarrollan los modelos 1D de acuerdo con las relaciones termodinámicas de cada configuración, se fijan las condiciones de contorno dependiendo del punto de funcionamiento del motor, se fijan las variables de acuerdo al tipo de estudio, se establecen las restricciones y limitaciones de cada caso y se realiza la optimización del sistema con el objetivo de minimizar la temperatura de los gases de entrada al motor, para finalizar con el análisis de los resultados. Conocer los resultados de cada configuración permite, a modo de conclusión, evaluar y comparar la viabilidad de cada sistema en relación con la capacidad de refrigeración y potencia requerida.