Diseño de instalación experimental para el estudio de los procesos de combustión en Motores de Combustión Interna Alternativos para aplicaciones pesadas mediante el uso de técnicas de visualización y medida

Abstract

[ES] La tendencia legislativa y comercial de las próximas décadas, referente a las aplicaciones de los Motores de Combustión Interna Alternativos (MCIA), sugiere una desaparición paulatina de esta tecnología en vehículos utilitarios. Sin embargo, en otros sectores como el transporte de mercancías o la generación de energía, estos motores ofrecen ciertas ventajas que aseguran su futuro a corto/medio plazo. Por ello, existen un interés actual por la industrial en enfocar esfuerzos en investigación hacia este sector. Uno de los campos más interesantes dentro de la investigación en MCIA es el estudio de la combustión. El conocimiento de los procesos físicos y químicos que tienen lugar en la transformación del combustible en energía es esencial para poder mejorar el rendimiento y reducir la formación de contaminantes. Con esta finalidad, durante la segunda mitad del siglo pasado las técnicas de visualización y medida se erigieron como herramientas fundamentales, muy aceptadas tanto entre la comunidad científica como por la industria. Estas se basan en la simple visualización de la combustión o la medida de la radiación emitida por determinadas especies químicas para poder diagnosticarla y comprenderla en mayor profundidad. Sin embargo, esta herramienta es útil únicamente si se dispone de las instalaciones experimentales adecuadas. Estas permiten simular condiciones termodinámicas semejantes a las que se encuentran en un MCIA comercial a la vez que disponen de accesos ópticos a través de los cuales estudiar la combustión. Se puede encontrar en la literatura desde maquetas de flujo estable a alta presión y alta temperatura, muy empleadas en estudios fundamentales aislados de muchos fenómenos que se dan en un motor, hasta motores comerciales con pequeñas ventanas que permiten un acceso limitado pero que proporcionan unas condiciones de contorno reales. En esta línea, un tipo de instalación muy empleada es la que se conoce como "motor transparente". Empleando la base de un motor convencional de un solo cilindro, tanto la camisa como el pistón están dotados de accesos ópticos para visualizar lo que ocurre dentro de la cámara de combustión. Cuando más semejantes sean las condiciones de funcionamiento y la geometría a las de un motor comercial, más fiables serán las conclusiones obtenidas con él. En la actualidad, el I.U.I. CMT - Motores Térmicos dispone de un motor transparente, que es posible adaptar a las geometrías de diferentes fabricantes de motores según sea necesario.Sin embargo, las características de esta instalación son más propias de motores para vehículos utilitarios por lo que no es aplicable para investigación en aplicaciones pesadas. Por todo lo dicho, el interés en desarrollar un motor transparente para investigación en aplicaciones pesadas es evidente. De esta forma, el presente proyecto plante el diseño de un nuevo motor transparente basado en una plataforma comercial de un fabricante de motores para camión que colabora de forma activa con el CMT. Este trabajo incluye modificación y creación de nuevos de componentes, para adaptar un motor monocilíndrico convencional a esta nueva aplicación y dotarlo de accesos ópticos. El diseño contemplará tanto las limitaciones geométricas como los esfuerzos a soportar, cuando se alcancen las condiciones reales de presión y temperatura en el motor.

[EN] Nowadays, engine manufacturers are subdued to very restrictive laws concerning pollutant emissions. This has encouraged the appearance of other alternatives, such as the electric motor. However, this is not feasible in some sectors such as road transport. Therefore, continue to evolve internal combustion engines is mandatory. In this context, optical engines have proven to be very powerful tools. Therefore,in the CMT - Motores Térmicos, an engine is being developed, copying the characteristics of a commercial truck engine. In this way, this work focuses on the design of the optical accesses of the engine, being these the lateral windows and the transparent piston. For the design of the optical accesses and its evaluation, a calculus tool has been used, based on the finite elements method. Applying loads that simulate the working conditions of the engine, the aim is to with maxim the field of view, and the compression ratio, while minimizing image distorsion. All without compromising the resistance to breakage of them. Various models have been evaluated with different configurations, the best one providing better compromise between these fields.